dise±o y fabricaci³n de un autom³vil de energa solar para personas con capacidades diferentes

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

T E S I S

P R E S E N T A :

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

2008

Q U E PA R A O B T E N E R E L T Í T U L O D E :

¨DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN AUTOMÓVIL DE ENERGÍA SOLAR PARA

PERSONAS CON CAPACIDADES DIFERENTES EL HUASTECO¨

I N G E N I E R O M E C Á N I C O

UNIDAD PROFECIONAL AZCAPOTZALCO

VA L D E Z G U Z M Á N C E L S O F R A N C I S C O

Esta tesis, si bien ha requerido de esfuerzo y mucha dedicación por parte del autor y su director de tesis, no hubiese sido posible su finalización sin la cooperación desinteresada de todas y cada una de las personas que a continuación citaré y muchas de las cuales han sido un soporte muy fuerte en momentos de angustia y desesperación.

GRACIAS A CADA UNO DE MIS MAESTROS Que participaron en mi desarrollo profesional durante mi carrera, sin su ayuda y conocimientos no estaría en donde me encuentro ahora.

GRACIAS A MI MADRE

Porque gracias a tu cariño, guía y apoyo he llegado a realizar uno de mis anhelos más grandes de mi vida, fruto del inmenso apoyo, amor y confianza que en mi se depositó y con los cuales he logrado terminar mis estudios profesionales que constituyen el legado más grande que pudiera recibir y por lo cual te viviré eternamente agradecido. Con cariño y respeto.

GRACIAS A MI ESPOSA E HIJA

Porque sólo la superación de mis ideales, me han permitido comprender cada día más la difícil posición de ser padres, mis conceptos, mis calores morales y mi superación se las debo a ustedes; esto será la mejor de las herencias; lo reconozco y lo agradeceré eternamente. En adelante pondré en práctica mis conocimientos y el lugar que en mi mente ocuparon los libros, ahora será de ustedes, esto, por todo el tiempo que les robé pensando en mí. Gracias.

GRACIAS A MI HERMANO

Por su apoyo incondicional, y siempre estar a mi lado.

GRACIAS AL INGENIERO JOSE GERARDO MINUTTI PILONI

Por asesorarme a lo largo de la tesis y acompañarme en este camino que hoy culmina en el presente proyecto, por compartir su conocimiento conmigo e inspirar en mi mucha admiración.

II NN DD II CC EE

PÁGINA

1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………1

2. JUSTIFICACIÓN………………………………………………….……….3

3. RESEÑA HISTORICA……………………………………………………5

4. OBJETIVOS……………………………………………………………… 9

5. INNOVACIÓN TECNOLÓGICA……………………………………… 11

CAPITULO PÁGINA

I……………………………………………………………………………………..12 1. MARCO TEORICO………………………………………………. 13

1.1 EL”HUASTECO” AUTO DE ENERGIA SOLAR PARA

DISCAPACITADOS………………………………………………13

1.2 ¿CÓMO FUNCIONA UN AUTO SOLAR?............................ ...13

1.3 ¿FUNCIONAN DIFERENTEMENTE LOS

AUTOS SOLARES?............................................................... 13

1.4 ¿CÓMO TRABAJA LA ENERGÍA SOLAR?........................... 14

1.5 ¿QUÉ SE PUEDE OBTENER CON

LA ENERGÍA SOLAR?.................................................................14

1.6 ¿TRABAJAN LAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

EN CLIMAS GÉLIDOS?......................................................... 15

1.7 ¿TRABAJAN EN DÍAS NUBLADOS? ¿QUÉ 1.8 PASA EN INTERIORES?....................................................... 16

1.9 ¿CUÁNTO DURARÁ MI SISTEMA PV?

¿PERDERÁN POTENCIA A TRAVÉS

CAPITULO PÁGINA

DEL TIEMPO LOS MÓDULOS?............................................ 17

1.10 ¿REQUIEREN ALGÚN TIPO DE MANTENIMIENTO?......... 17

1.11 ¿HAY DIFERENTES TIPOS DE MÓDULOS

SOLARES (PV) ?.................................................................. 18

1.12 ¿ES NECESARIO USAR CABLES Y

FUSIBLES ESPECIALES?.................................................... 18

1.13 EL SOL…………………………………………………….......... 19

1.14 ENERGIA SOLAR……………………………………………… 20

1.15 TRANSFORMACIÓN NATURAL DE LA ENERGÍA SOLAR A LA ENERGIA ELECTRICA UTILIZABLE………………………………………………………….21

1.16 ELECTRICIDAD FOTOVOLTAICA………...…………………. 23 1.17 GENERACION ELECTRICA……………………………….... 24

1.18 ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR EN BATERIAS……………………………………………..…... 25

1.19 BATERIAS DEEP CYCLE…………………………………… 25

1.20 ¿QUE ES UN CICLO?........................................................... 26

1.21 TIPOS DE CICLOS………………………………………… 26

1.22 CICLOS DE VIDA……………………………………………… 27

1.23 DETERMINANDO EL PORCENTAJE DE

CARGA DE LAS BATERIAS……………………………….. 27

1.24 BATERÍAS Y ACUMULADORES DE CARGA…………….. 28

1.25 CARACTERÍSTICAS..………………………………… 31

1.26 INFORMACIÓN GENERAL SOBRE BATERIAS………….. 32

CAPITULO PAGINA

I I……………………………………………………………………………………... 33

2.1 BASE DE DATOS TECNICOS DEL CARRO SOLAR “HUSTECO”…………………….……….... 34

2.2 FOTOS DEL CARRO SOLAR “HUASTECO”.……………. 44

I I I…………………………………………………………………………………….49

3.1 FABRICACIÓN DE CÉLULAS SOLARES…………………… 50

3.2 EL SILICIO……………………………………………………… 52

3.3 PROBLEMÁTICA…………………………………………….. 55

3.4 TABLAS DEL INEGI……………….…………………………… 55

3.5 FUENTES DE ENERGÍA……….……………………………… 58

3.5.1 Energía del petróleo, gas y carbón…………………………58

3.5.2 Energía hidráulica…………………………………………. 58

3.5.3 Energía nuclear…………………………………………….. 59

3.5.4 Energía geotérmica………………………………...……….59

3.5.5 Energía solar…………………………………………………59

3.5.6 Energía eólica………………………………………………60

3.5.7 Energía de la biomasa…………………………………….60

I V ……………………………………………………………………………61

4.1 ¿QUE TAN LIMPIOS SON LOS VEHICULOS

SOLARES? …………………………………………………………62

4.2 ¿QUÉ SON CONTAMINANTES TÓXICOS EN

EL AIRE?............................................................................... 64

4.3 ¿CUÁLES SON LOS EFECTOS DE LOS

CAPITULO PÁGINA

CONTAMINANTES TÓXICOS DEL AIRE SOBRE

LA SALUD Y EL MEDIO AMBIENTE?.................................. …..64

4.4 ¿DE DÓNDE PROVIENEN LOS CONTAMINANTES

TÓXICOS DEL AIRE?........................................................... …..64

4.5 ¿DE QUÉ MANERA ESTÁ EXPUESTA LA GENTE

A LAS SUSTANCIAS TÓXICAS EN EL AIRE?................... …..65

4.6 PRECAUCIONES………………………………………………. …..66

4.6.1 Luz artificial………………………………………….…….. .. 66

4.6.2 Cuidado …………………………………………….…………66

4.7 CONCLUSIONES………………………………………….…………67

4.8 ANEXOS (DIAGRAMAS)…………………….................................69

4.9 PLANTA CHASIS…………………………………………………… 70 4.10 CORTE ¨B-B¨ (UBICACIÓN MOTOR)……………………...……...71 4.11 CORTE ¨C-C¨……………………………… ………………...………72 4.12 CORTE ¨D-D¨ (UBICACIÓN MOTOR REDUCTOR)……….…….73 4.13 PLANTA CUBIERTA……………………………………………..…. 74 4.14 DETALLES DE LLANTAS Y DIRECCION…………………..…….75 4.15 PLANTA TRACCION TRASERA Y DIRECCION……………..…..76 4.16 DETALLE Nº 1………………………………………………….…….77 4.17 CORTE ¨A-A¨ (ESTRUCTURA)…………………………….………78 4.18 DETALLE Nº 2………………………………………………….…….79

I N S T I T U T O P O L I T E C N I C O N A C I O N A L

1

INTRODUCCION

Cada día cae sobre la Tierra más energía proveniente de los rayos solares

que la cantidad total de energía que los 5,9 mil millones de habitantes terrestres

consumirían en 27 años.

Sólo en las últimas décadas cuando hay mayores demandas de energía,

problemas ambientales crecientes y una disminución de las fuentes de

combustibles fósiles- hemos volcado la atención hacia las opciones de energía

alternativa y concentrado nuestra atención en explotar con seriedad estos

tremendos recursos.

Con el uso de combustibles fósiles hemos alterado gravemente la

naturaleza, se desaparecen poco a poco diferentes tipos de plantas y animales,

esto es gracias al calentamiento global que altera todas las estaciones del año y

por ende eso también nos afecta a los seres humanos.

Los motores de combustión interna (gasolina o diesel) tienen una eficiencia

de un 33 a un 35 %, dicho en otras palabras de cien pesos se le depositan de

gasolina a un vehiculo solo aprovecha 35 pesos lo demás son perdidas de energía

que es altamente contaminante.

En cambio los motores de corriente eléctrica tienen una eficiencia de un

98 % y el 2% que no aprovecha no es contaminante y no son muy ruidosos como

un vehiculo de combustión interna.


2

La presente tesis muestra las cualidades de la energía solar y su uso en el

ámbito automotriz, viendo como el hombre se ha esforzado por tratar de

aprovechar al máximo la energía solar.


3

JUSTIFICACIÓN

Si se entiende un automóvil solar como aquel vehículo que es impulsado

únicamente por celdas fotovoltaicas, entonces los automóviles solares no son los

que se estarán conduciendo en un futuro, ya que en realidad no son nada

prácticos, son excesivamente caros, complicados, frágiles y aún en el caso de que

se lograran obtener celdas solares con 100 % de eficiencia, la energía que podría

captar un vehículo de tamaño regular sería muy poca para cubrir las necesidades

de transporte actuales, además de que la luz solar no siempre esta presente.

La verdadera importancia de un automóvil solar no radica pues en un futuro

transporte comercial, sino en lo siguiente:

*Un automóvil solar es un verdadero proyecto de investigación y desarrollo

de adelantos tecnológicos en aerodinámica, materiales, fotoceldas, electrónica,

motores, baterías y llantas, que pueden ser posteriormente aplicados a los

vehículos eléctricos para hacerlos competitivos frente a los vehículos de

combustión interna y acelerar así, su aceptación en el mercado. Se debe recordar

que una gran parte de los avances tecnológicos incorporados hoy en los vehículos

de combustión interna, que nos transportan cotidianamente, fueron desarrollados

en prototipos para competencias automovilísticas.

Un automóvil solar, resalta los términos "eficiencia" y "energía solar" de una

manera por demás atractiva, lo que ha provocado un efervescente interés por

estos términos entre los ingenieros. El automóvil solar, es capaz de recorrer


4

enormes distancias y viajar a una velocidad promedio de 70 km/hrs. con una

potencia menor a 1 Kw., potencia equiparable a aquélla que se podría encontrar

en cualquier aparato electrodoméstico, como un secador de pelo. La idea de

realizar grandes cantidades de trabajo utilizando muy poca potencia, es

exactamente lo que se entiende por eficiencia. Esto se logra, gracias a que el

auto solar utiliza en su construcción materiales superligeros y resistentes como lo

son el Kevlar y la fibra de carbono a manera de sándwich con panal de abeja de

fibra de armadía, logrando así obtener el menor peso para una estructura con una

resistencia que cumple con los requisitos de seguridad, también, se reducen al

máximo las pérdidas mecánicas por fricción en rodamientos, y en la transmisión,

se tiene una forma aerodinámica de muy bajo coeficiente de arrastre, se reducen

también las pérdidas en la electrónica usando componentes de calidad y

diseñando circuitos que manejen una adecuada relación voltaje-corriente y se

utilizan llantas especiales para reducir la resistencia al rodamiento. El intentar

reducir el peso, las pérdidas aerodinámicas, las mecánicas y las electrónicas es lo

que hacen de este interés para la ingeniería como una verdadera opción para los

ingenieros ya que es un recurso humano fundamental para el desarrollo industrial

y económico de México.


5

RESEÑA HISTORICA

El Efecto Fotoeléctrico es la formación y liberación de partículas eléctricamente

cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra

radiación electromagnética. El término efecto fotoeléctrico designa varios tipos de

interacciones similares. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en

la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide

sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los

electrones liberados por un polo de la célula, el foto cátodo, se mueven hacia el

otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico. El estudio del efecto

fotoeléctrico externo desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física

moderna. Una serie de experimentos iniciados en 1887 por Becquerel demostró

que el efecto fotoeléctrico externo tenía determinadas características que no

podían explicarse por las teorías de aquella época, que consideraban que la luz y

todas las demás clases de radiación electromagnética se comportaban como

ondas. Por ejemplo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más

intensa, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán

electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos

mostraron que la máxima energía posible de los electrones

emitidos solo depende de la frecuencia de la luz incidente, no de su intensidad.

En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoeléctrico externo,

Albert Einstein sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en

determinados casos como una partícula, y que la energía de cada partícula


6

luminosa, o fotón, sólo depende de la frecuencia de la luz. Para explicar el efecto

fotoeléctrico externo, Einstein consideró la luz como un conjunto de "proyectiles"

que chocan contra el metal. Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un

fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el

electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba muchas

características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de que

la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la

intensidad de la luz. Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo

depende de la energía del fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la

frecuencia de la luz. La teoría de Einstein se verificó por experimentos posteriores.

Su explicación del efecto fotoeléctrico, con la demostración de que la radiación

electromagnética puede comportarse en algunos casos como un conjunto

de partículas, contribuyo al desarrollo de la teoría cuántica. El término efecto

fotoeléctrico también puede referirse a otros tres procesos:

• La fotoionización.

• La fotoconducción.

• Efecto fotovoltaico.

La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación

electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía

para separar uno o más electrones externos de los átomos de gas. En la

fotoconducción, los electrones de materiales cristalinos absorben energía de los


7

fotones y llegan así a la gama de niveles de energía en la que pueden desplazarse

libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltaico, los fotones crean

pares electrón-hueco en materiales semiconductores. En un transistor, este efecto

provoca la creación de un potencial eléctrico en la unión entre dos

semiconductores diferentes.

*Albert Einstein nació en Alemania en 1879. Amenazado por el régimen nazi,

inmigró a los EE.UU. de N.A. y se naturalizó en 1940. Autor de numerosos

estudios de física teórica, formuló la Teoría de la Relatividad, de suma

trascendencia en la ciencia moderna. Dotado de elevados sentimientos, intervino

constantemente en favor de la paz. En 1924 le fue otorgado el Premio Novel. Sus

pasatiempos eran las caminatas y, principalmente, interpretar melodías con el

violín. Falleció en los EE.UU. en 1955

La historia de los autos solares se remonta a 1982, cuando un visionario

aventurero australiano, de origen danés, Hans Tholstrup, y el piloto de carreras

Larry Perkins, construyeron y manejaron el primer auto solar, el "BP Quiet

Achiever" desde Perth hasta Sydney. Cruzar Australia de oeste a este por un total

de 4058 Km. tomó 20 días con un promedio de velocidad de 23 km/h.

El propósito de este primer auto, fue el de mostrar al mundo tres cosas

básicamente, que la energía solar era una fuente muy importante y

suficientemente desarrollada para sustituir a los combustibles fósiles, que el


8

transporte terrestre tiene alternativas no contaminantes como el vehículo eléctrico,

y crear el interés en el mundo científico por el desarrollo de ambas.

El primer fruto de este propósito se dio en 1985, cuando el suizo Urs Muntwyler

creó la primera competencia mundial de autos solares el "Tour de Sol", misma que

creó una gran expectación y atrajo la mirada del mundo. Desde entonces esta

carrera se celebra anualmente en Europa.

A pesar de que la historia del automóvil eléctrico es más antigua que la de los

es evidente el gran auge que a tomado la idea del vehículo eléctrico a partir de

este tipo de competencias que definitivamente han logrado captar el interés del

mundo científico, enfocándolo al desarrollo del vehículo eléctrico.

General Motors, después de haber ganado el World Solar Challenge en 1987

con su extraordinario automóvil solar, el "Sunraycer", decidió diseñar y construir

con miras comerciales, uno de los autos eléctricos más prometedores; el "EV1".

Este automóvil es capaz de desarrollar velocidades de 160 km/h y tiene una

autonomía de 190 km. a una velocidad de 90 km/hrs.


9

Objetivos

El principal propósito es el diseño y montaje de un prototipo de automóvil con

un Generador Fotovoltaico instalado en su cubierta para así evaluar su

funcionamiento.

La incorporación de una nueva fuente de energía, que además es respetuosa

con el medio ambiente, permitirá paliar la continua descarga a la que se ven

sometidas las baterías, especialmente la de servicio, lo que aumentará la vida

media de las mismas. Por otro lado, la autonomía del automóvil también se verá

incrementada, ya que actualmente la carga de las baterías no depende por

completo de la existencia de un punto de acceso a la red eléctrica. Si bien, esto se

cumple en la mayoría de las ocasiones, existen situaciones especiales en las que

se requiere la autonomía del vehículo para discapacitados.

La incorporación del generador fotovoltaico en el vehículo exige la búsqueda de

una configuración física y eléctricamente adecuada que optimice tanto la

instalación del mismo en la cubierta del vehículo como la interacción del sistema

eléctrico original del vehículo con el generador fotovoltaico. En este aspecto, la

utilización del prototipo como banco de pruebas es enormemente valiosa.

• Entender el proceso de conversión de la energía solar para poder ser

utilizada por el hombre


10

• Como puede ser utilizada en medios de transporte terrestre

• La importancia del vehículo solar

• Funcionamiento de un vehículo solar


11

INNOVACIÓN TECNOLÓGICA

• Desarrollo de la tecnología Fotovoltaica para ser utilizada en los vehículos

solares para discapacitados.

• Desarrollo de soluciones estándar de integración en vehículos

convencionales, estudiando tanto aspectos técnicos como de legislación.

• El vehiculo de energía solar aquí mostrado o también conocido como

vehiculo cero emisiones esta diseñado para personas con discapacidad

motriz todos sus controles son manuales (acelerador, freno, dirección, luces

y tiene un dispositivo en el asiento para que se adapte a el tamaño

antropométrico del usuario ya que es corredizo y jira 180° con un seguro

automático cada 90° para que le sea mas fácil el acenso y descenso a las

personas)

• Este proyecto es muy dócil y noble, gracias a todas las transformaciones

que se le pueden hacer y con esta ventaja se le podría aplicar dentro de

naves industriales ya que es un vehiculo de cero emisiones o para

transportarse grandes distancias de una nave industrial a otra o

simplemente trasladarse de su casa al trabajo o a un centro comercial.


12

CAPITULO I


13

1. MARCO TEORICO

1.1 EL HUASTECO (AUTO DE ENERGIA SOLAR PARA

DISCAPACITADOS)

1.2 ¿Cómo Funciona un Auto Solar?

1- La energía del Sol se convierte directamente en electricidad por las celdas

solares.

2.- Esta electricidad es almacenada en baterías.

3.- Un controlador recibe la energía de las baterías y mueve un motor eléctrico que

por medio de la transmisión mueve las ruedas. El piloto dentro de la cabina tiene

los elementos básicos que hay en cualquier otro auto, como son, volante,

acelerador y freno. Lo único que no tiene es un "clutch" o embrague, ya que un

auto solar no necesita caja de velocidades.

1.3 ¿Funcionan diferentemente los autos solares?

Por lo general, conducir un auto solar será muy parecido a conducir un auto

de gasolina. Sin el motor de combustión interna, los autos solares tienen el

potencial de hacer menos ruido.


14

1.4 ¿Cómo Trabaja la Energía Solar?

La celdas solares PV o fotovoltaicas funcionan bajo el principio de que la

electricidad circulará entre dos semiconductores disímiles al ponerlos en contacto

uno con el otro y ser expuestos a la luz. Conectando un número de estas celdas

entre sí, se apreciará que se produce una útil y abundante circulación de corriente

eléctrica. Un conjunto de dos o más unidades de celdas fotovoltaicas de iguales

características constituyen un módulo fotovoltaico.

1.5 ¿Qué se puede obtener con la energía solar?

Básicamente, recogiendo de forma adecuada la radiación solar, podemos

obtener calor y electricidad.


15

Las «células solares», dispuestas en paneles solares, ya producían

electricidad en los primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la

solución definitiva al problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre

otras alternativas, pues, al carecer los paneles de partes móviles, resultan

totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningún

ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento.

Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados,

puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes.

Se consigue que el precio de las células solares siga disminuyendo,

iniciándose su fabricación a gran escala, es muy probable que, para la segunda

década del siglo, una buena parte de la electricidad consumida en los países ricos

en sol tenga su origen en la conversión fotovoltaica.

1.6 ¿Trabajan las células fotovoltaicas en climas gélidos?

Sí y, de hecho, muy bien. Al contrario de lo que la mayor parte de la gente

intuye, los sistemas fotovoltaicos general realmente más potencia a menores

temperaturas. Esto es porque las celdas son dispositivos electrónicos reales y

generan electricidad partiendo de la light, no del calor. Como la mayoría de los

dispositivos electrónicos, las celdas fotovoltaicas funcionan con mayor eficiencia a

temperaturas frías. En climas templados, las celdas generan menor energía en

invierno que en verano, pero esto se debe a que los días son más cortos, el sol


16

cae a un menor ángulo y la cobertura por nubes es mayor, no por las temperaturas

más bajas.

1.7 ¿Trabajan en días nublados? ¿Qué pasa en interiores?

Las celdas fotovoltaicas siguen generando electricidad durante los días

nublados aunque su salida se ve disminuida. En general, la salida decae

linealmente hasta alrededor del 10% respecto de la intensidad solar plena normal.

Como una celda fotovoltaica plana responde a una ventana de 180 grados de

ángulo, no necesitan luz solar directa y pueden generar un 50 al 70% de su

régimen especificado de salida en un cielo cubierto. Una oscurización diurna

puede corresponder a sólo el 5 al 10% de la intensidad a pleno sol, así que la

salida podría disminuir proporcionalmente. Los niveles de luz en interiores, así sea

en una oficina con gran iluminación, son dramáticamente menores que la

intensidad lumínica en el exterior -típicamente por un factor de varios cientos o

más. Las celdas fotovoltaicas diseñadas para uso externo generalmente no

producen potencia útil a estos niveles de luz dado que han sido optimizadas para

intensidades mucho mayores. Por otra parte, las unidades diseñadas para

menores niveles de luz -- como las que se pueden encontrar en calculadoras o

relojes -- han sido preparadas para estas condiciones y se comportan pobremente

a plena luz solar.


17

1.9 ¿Cuánto durará mi sistema PV? ¿Perderán potencia a través

del tiempo los módulos?

En general, los módulos fotovoltaicos constituyen el componente de mayor

vida de un sistema. Los de máxima calidad se diseñan para durar, al menos, 30

años y poseen una garantía por 20. Están diseñados para soportar todos los

rigores ambientales incluyendo el frío ártico, el calor del desierto, la humedad

tropical, vientos en exceso de 200 km-hrs. y 25mm de granizo a una velocidad

terminal. Las baterías industriales de alta calidad durarán como máximo unos 8 a

10 años. Las unidades selladas más pequeñas durarán típicamente de 2 a 4 años.

Las baterías para uso en automotores no equilibran su acción con las

características de los sistemas fotovoltaicos y generalmente tendrán una duración

de sólo 12 a 18 meses en servicio. La clave para una larga vida es un diseño

correcto del Sistema y la selección de componentes.

1.10 ¿Requieren algún tipo de mantenimiento?

Sí, pero sólo mínimo. Los sistemas solares modernos pueden proveer una

gran cantidad de información para asistirlo y hasta pueden llevar a cabo algunas

funciones automáticamente. La tarea mayor es asegurarse de que los Paneles

Solares estén limpios y que el nivel de agua de las baterías (cuando se usan) sea


18

suficiente. Los sistemas dispuestos en red y que no poseen baterías requieren

muy escaso mantenimiento.

1.11 ¿Hay diferentes tipos de módulos solares (PV)?

Sí. Hay módulos disponibles en diferentes potencias de salida, tipos de

bastidores y montajes, tecnología de la celda, expectativa de vida y eficiencia.

Estos factores determinarán el mejor panel que convenga a sus necesidades. Si

está comparando marcas, asegúrese de que conoce qué es lo que está

obteniendo.

1.12 ¿Es necesario usar cables y fusibles especiales?

Sí. Aún cuando se intercale en su sistema un inversor o convertidor con el

fin de obtener corriente alternada, seguirá habiendo una circulación de corriente

continua. La electricidad de corriente continua requiere cables o alambres de

conexión más gruesos y en algunos casos, fusibles y sistemas de protección

especiales. Asegúrese de estar en conocimiento con las leyes que rigen el manejo

de potencias (Leyes de Ohm y Watt y una tabla de conductores que indiquen las

corrientes admisibles) o recurra a un instalador experimentado en lo tocante a la

electricidad de CC.


19

1.13 El sol

Es una masa de materia gaseosa caliente que irradia a una

temperatura efectiva de unos 6000º C. De la distribución

espectral de la radiación de esta fuente de energía, medida

fuera de la atmósfera terrestre, aproximadamente la mitad

esta en la región visible del espectro, cerca de la otra región

visible del espectro, cerca de la otra región infrarroja y un

pequeño porcentaje de la región ultravioleta. El sol esta a una

distancia de 149490000 kilómetros de la Tierra, y la constante

solar, esto es, la intensidad media de radiación medida fuera

de la atmósfera en un plano normal la radiación es

aproximadamente 1.94 cal/min. cm3.


20

1.14 ENERGIA SOLAR

Una energía garantizada para los próximos 6.000 millones de años

El Sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el

hombre ha utilizado desde los albores de la Historia, puede satisfacer todas

nuestras necesidades, si aprendemos cómo aprovechar de forma racional la luz

que continuamente derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace

unos cinco mil millones de años, y se calcula que todavía no ha llegado ni a la

mitad de su existencia.

Durante el presente año, el Sol arrojará sobre la Tierra cuatro mil veces

más energía que la que vamos a consumir.


21

No sería racional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente

posibles, esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos

definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas poco

seguras, contaminantes o simplemente agotables.

Es preciso, no obstante, señalar que existen algunos problemas que

debemos afrontar y superar. Aparte de las dificultades que una política energética

solar avanzada conllevaría por sí misma, hay que tener en cuenta que esta

energía está sometida a continuas fluctuaciones y a variaciones más o menos

bruscas. Así, por ejemplo, la radiación solar es menor en invierno, precisamente

cuando más la solemos necesitar.

1.15 TRANSFORMACIÓN NATURAL DE ENERGÍA SOLAR

A ENERGIA ELECTRICA UTILIZABLE

La recogida natural de energía solar se produce en la atmósfera, los

océanos y las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energía del Sol, los

océanos y la atmósfera, por ejemplo, producen vientos, utilizados durante siglos

para hacer girar los molinos. Los sistemas modernos de energía eólica utilizan


22

hélices fuertes, ligeras, resistentes a la intemperie y con diseño aerodinámico

que, cuando se unen a generadores, producen electricidad para usos locales y

especializados o para alimentar la red eléctrica de una región o comunidad.

Casi el 30% de la energía solar que alcanza el borde exterior de la

atmósfera se consume en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energía

potencial de las corrientes de montaña y de los ríos. La energía que generan

estas aguas en movimiento al pasar por las turbinas modernas se llama energía

hidroeléctrica. Gracias al proceso de fotosíntesis, la energía solar contribuye al

crecimiento de la vida vegetal (biomasa) que, junto con la madera y los

combustibles fósiles que desde el punto de vista geológico derivan de plantas

antiguas, puede ser utilizada como combustible. Otros combustibles como el

alcohol y el metano también pueden extraerse de la biomasa.

Asimismo, los océanos representan un tipo natural de recogida de energía

solar. Como resultado de su absorción por los océanos y por las corrientes

oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares, estas

variaciones verticales alcanzan 20°C en distancias de algunos cientos de metros.

Cuando hay grandes masas a distintas temperaturas, los principios

termodinámicos predicen que se puede crear un ciclo generador de energía que

extrae energía de la masa con mayor temperatura y transferir una cantidad a la

masa con temperatura menor. La diferencia entre estas energías se manifiesta

como energía mecánica (para mover una turbina, por ejemplo), que puede

conectarse a un generador, para producir electricidad. Estos sistemas, llamados


23

sistemas de conversión de energía térmica oceánica (CETO), requieren enormes

intercambiadores de energía y otros aparatos en el océano para producir

potencias del orden de megavatios.

1.16 ELECTRICIDAD FOTOVOLTAICA

En una célula fotovoltaica, la luz excita electrones entre capas de

materiales semiconductores de silicio. Esto produce corrientes eléctricas.

Las células solares hechas con obleas finas de silicio, arseniuro de galio

u otro material semiconductor en estado cristalino, convierten la radiación en

electricidad de forma directa. Ahora se dispone de células con eficiencias de

conversión superiores al 30%. Por medio de la conexión de muchas de estas

células en módulos, el coste de la electricidad fotovoltaica se ha reducido

mucho. El uso actual de las células solares se limita a dispositivos de baja

potencia, remotos y sin mantenimiento, como boyas y equipamiento de naves

espaciales.


24

1.17 GENERACION ELECTRICA

Por causa de sus propiedades eléctricas, los módulos fotovoltaicos producen

corriente continua en lugar de corriente alterna (CA.). La corriente continua (CC.)

se caracteriza por el pasaje de electrones circulando en una sola dirección (el tipo

de corriente que obtiene de una pila o de un elemento de linterna). La corriente

alternada es una circulación de electrones que invierte su dirección a intervalos

regulares, como por ejemplo la provista por las compañías generadoras a través

de la red de distribución nacional. CA. es necesaria para accionar la mayoría de

los artefactos grandes, refrigeradores, etc.

En los sistemas fotovoltaicos más sencillos, la corriente continua se usa

directamente. En las aplicaciones en donde es necesaria la CA, se agrega al

sistema un "inversor", que convierte la CC en CA.


25

1.18 ALMACENAMIENTO DE ENERGIA SOLAR EN BATERIAS

INTRODUCCION

Se clarificara la terminología y los conceptos con respecto a las baterías, así

como asistirte en tomar la decisión de cual batería comprar, extender la vida útil de

ellas y mantener las baterías en niveles óptimos.

En la siguiente tabla le mostramos algunas de las baterías que más se utilizan en

los equipos de energía solar, su voltaje, su capacidad en amp-hr y el tipo de

batería.

1.19 BATERIAS DEEP CYCLE

El termino Deep cycle se refiere en general a las baterías que tienen la capacidad

de descargarse completamente cientos de veces. La diferencia principal de las

baterías deep cycle y la de un automóvil convencional es que la batería del

automóvil esta hecha para proveer una rápida cantidad de energía miles de veces

en su tiempo de vida, mientras que solamente es capaz de descargarse

completamente menos de 50 veces durante su vida y las baterías deep cycle

están hechas para descargarse cientos de veces.

Una batería deep cycle marina puede ser usada en varias aplicaciones, como en

lanchas, casas móviles, energía solar, casas de campaña, etc.


26

1.20 ¿QUE ES UN CICLO?

Un ciclo es una descarga y carga de una batería a cualquier porcentaje de

descarga. La cantidad de descarga de la batería (en porcentaje) comparada a su

capacidad cuando esta llena determina la necesidad para una carga pequeña,

moderada o deep cycle. A esto se le llama la profundidad de descarga de la

batería (DOD) y es medida en porcentaje. Por ejemplo, 40% DOD indica una

batería que ha sido descargada por un 40% de su capacidad total y tiene una

carga permanente del 60%.

1.21 TIPOS DE CICLOS

Existen tres tipos primarios de ciclos de descarga de las baterías, pequeño,

moderado y profundo. Estos términos nos ayudaran para comprender el tipo de

ciclo que las baterías requerirán. Para clarificar esto, veamos los tres ciclos. El

ciclo pequeño ocurre cuando solo un pequeño porcentaje del total de la capacidad

de la batería es descargado. Siguiendo esa misma línea de pensamiento, los

ciclos moderado y profundo (deep) es donde las baterías son descargadas a un

mayor porcentaje del total de la capacidad de la batería respectivamente.


27

1.22 CICLOS DE VIDA

¿Cuantos ciclos debería producir una batería deep cycle?

Es difícil calcular los ciclos de vida de las baterías ya que dependen de muchos

factores. Algunos de los factores son el mantenimiento, el porcentaje de descarga,

temperatura de la batería, cantidad de veces que se descarga, vibración, etc.

Uno de los factores más importante es la cantidad (en porcentaje) de descarga de

la batería (DOD) por ciclo. Cuando la cantidad de DOD es incrementada por ciclo,

resulta en una reducción del total de ciclos de la batería.

Si una batería es descargada constantemente al 100% DOD (considerando que

las otras variables son constantes), el ciclo total de vida de la batería podría ser la

mitad de una que es descargada solamente al 50%. Con esto, nos damos cuenta

que para optimizar la duración de las baterías es recomendable no descargarlas

mas del 50%. Recuerde que existen muchos otros factores que afectan la vida de

las baterías. Si las baterías trabajan a temperaturas de 36 grados centígrados

constantemente, los ciclos de vida se reducirían drásticamente.

1.23 DETERMINANDO EL PORCENTAJE DE CARGA DE LAS

BATERIAS

El DOD de las baterías (en porcentaje) es lo contrario al estado de carga de las

baterías. Si la batería tiene un 70 % de carga, la profundidad de descarga es el

30% siendo que el total debe ser igual a 100%. La forma más eficiente para

determinar el estado de carga de una batería en baterías con tapas removibles es


28

usando un hidrómetro. En baterías libres de mantenimiento, el mejor método es

usando un buen voltímetro.

La carga superficial, en términos generales, se refiere a una carga inflada en un

nivel inmediato superior después de que una batería ha sido cargada

completamente. Las cargas superficiales afectan la lectura tomada con un

voltímetro que con el hidrómetro.

Como ejemplo, probando el voltaje de una batería, aun después de horas de

haberla cargado, y dando la lectura 12.66 volts, podría no ser un verdadero

indicador de que la batería esta realmente cargada. Para remover la carga

superficial de la batería, es recomendable aplicarle una carga por un periodo de

tiempo. Por ejemplo, de 10-15 amp. por dos o tres minutos, después permitirle a la

batería reposar por un minuto y vuelve a checar su voltaje.

Las baterías de ciclo profundo son las adecuadas para aplicaciones con energías

renovables y respaldos de energía porque pueden entregar su energía en forma

continuada durante varios años sin problemas.

1.24 BATERÍAS Y ACUMULADORES DE CARGA

Los acumuladores, en un arreglo solar tienen una doble función. Estos deben de

proveer de potencia a la carga cuando no haya luz solar disponible y amortiguar

las variaciones de energía; la función de los módulos solares es recargar

diariamente estas baterías o acumuladores.


29

El tipo de acumuladores utilizados en los arreglos fotovoltaicos son los llamados

de ciclo profundo, pueden ser como los tradicionales de plomo ácido o las baterías

selladas libres de mantenimiento. No se deben usar acumuladores automotrices

ya que no están diseñados para este propósito. Los acumuladores de ciclo

profundo para los sistemas fotovoltaicos están diseñados para ser descargados

lentamente durante muchas horas, sin ser recargados completamente por varios

días o semanas, sin que por ello sufran daños y se reduzca su vida útil.

Es importante conocer el funcionamiento de un regulador o controlador de carga,

por que éste es necesario cuando se utilizan las baterías. El controlador de carga

es un dispositivo electrónico que regula el estado de carga entre límites

preestablecidos. El voltaje de las baterías se mide y se toma como factor principal

para estimar el estado de carga, además del voltaje, algunos controladores miden

la temperatura de la batería. Es muy importante el uso de un controlador de carga

para incrementar la vida útil de su banco de baterías. Existen algunos que incluso

desconectan la carga cuando la batería está por descargarse (desconexión por

bajo voltaje LVD).

Las baterías de Ciclo Profundo están diseñadas para proporcionar la performance

de vida más larga cuando se descarga y recarga la misma continuamente.

Diferente a las baterías de automóvil normales para arranque, las cuales poseen

rejillas de plomo más delgadas y el material activo poroso (la pasta de óxido de

plomo que cubre a las rejillas de la batería) para aumentar al máximo el área de la

superficie de la rejilla logrando más potencia en los estallidos instantáneos de


30

corriente, se construyen las baterías del Ciclo Profundo con las rejillas con más

espesor, una aleación de alto contenido de antimonio y una pasta más densa de

material activo para resistir descargas constantes y ciclos de carga.

Un Ciclo, en términos de batería, es el proceso en el cual se descarga

completamente (sacándole toda su capacidad) y se recarga completamente

(restaurando toda su capacidad).

Una batería del ciclo profundo para muchas aplicaciones, nosotros

compararemos una de estas baterías con una batería de automóvil normal.

La batería de automóvil podría llamarse “de ciclo poco profundo”. Se diseñan para

mantener estallidos de alta corriente en tiempos muy cortos; simplemente cada

estallido es mucho tiempo como para dar arranque a un automóvil.

En este proceso, sólo una porción pequeña de la capacidad de la batería se

utiliza, y el alternador del automóvil restaura esta descarga rápidamente.

La construcción de la batería de Ciclo Profundo le permite entregar esta energía

por períodos extendidos de tiempo (el ciclo profundo) sin dañar la misma ni

minimizando su vida útil, tal uso causaría una reducción importante en la vida útil

en una batería para automotor normal.

Todas las baterías pueden entregar algunos “ciclos profundos” muy pocas veces,

pero sólo las diseñadas especialmente para este objetivo sobrevivirán la descarga

sustancial repetidamente. Con el diseño y la fabricación correcta la batería de


31

Ciclo Profundo resistirá centenares de ciclos a aproximadamente el 80% de

profundidad de descarga, en cada ciclo, y todavía estar lista para más.

1.25 Características.

Cuentan con rejillas de Plomo mucho más gruesas. La densidad del material activo más elevada El porcentaje de Antimonio en la aleación rejilla positiva mucho mayor Separadores hechos de caucho y papel de fibra de vidrio diseñados para retener el material activo. Cada componente es crítico para proporcionar una performance buena y durable. Las rejillas gruesas extienden la vida útil. La cantidad de materia más activa aumenta la capacidad. El antimonio mejora la habilidad del ciclo profundo. El diseño del separador afecta la eficacia con que opera, la longevidad y el control de pérdida de líquido.

Las baterías de ciclo profundo se miden en Amperios Horas, dividido el número de horas, normalmente 20hrs. La medida de CCA (cold cranking amp.) no se utiliza generalmente en las baterías de ciclo profundo por su bajo valor. la batería de Ciclo Profundo correcta para sus necesidades, simplemente comparando su Amperio Total calculado contra la especificación de la batería. Cuanto más rápido una batería se descarga, menos Amperio/Horas entregará antes de la recarga.


32

1.26


33

CAPITULO II


34

2.1 BASE DE DATOS TECNICOS DEL CARRO SOLAR

“HUSTECO”

VEHICULO DE ENERGIA SOLAR. Masa (m) aproximada Vehiculo = 120 Kg. Pasajero = 80 Kg. SISTEMA ELECTRICO DE PROPULSION

A) Paneles solares; 5 piezas en total con las siguientes características Dimensiones físicas.

CELDA Largo Ancho Superficie Pico Mínima Circuito abierto

Circuito con carga

Corriente en corto circuito

Promedio fusible

1 0.42 0.50 0.2100 20 W

18W ------- 16.8V ----- 1.19 A 3

2 10.29 0.33 0.4257 ---- 50W 21.4V 16.6V 3.30 A 3.05 A 10 3 0.50 0.59 0.2950 30

W 27W 21V 16.8V 1.94 A 1.78 A 3


35

SUPERFICIE TOTAL = 29307.0 m

%181370.175000.1

1639307.02

2

≅⎯→⎯

⎯→⎯

⎯→⎯

EficienciaWm

Wm

PANELES SOLARES *3 Silicio amorfo *1y2 Semiconductor policristalino Para cubrir una demanda de 2 Hp. el generador solar deberá tener una superficie de 8 a 9 2m

( )( ) WWHp 149274622 == Es insuficiente la energía de las celdas solares para propulsión requiere dos horas para su recarga.

CELDAS SOLARES DELANTERAS


36

CELDAS SOLARES EN EL TECHO DEL HUASTECO

CELDAS SOLARES TRASERAS

SISTEMA ELECTRICO DE PROPULSION (B) BATERIAS ACUMULADOR ELECTRICO 2 UNIDADES Tensión: 12- 16 V Capacidad de reserva : 120 minutos Autonomía: 60 – 70 Amperes – hora


37

(C) MOTOR ELECTRICO

1 UNIDAD POTENCIA: 1.5 Hp. = 1,119W Tensión: 36 Voltios Corriente: 31 Amperes

Velocidad Angular:

segrad

hrsrad

RPSRPM

57.345

49.734,20

55300,3

=

=

=

Batería acumulador Marca Champion Modelo CH 27 CD, uso marino Tensión 12 Voltios Capacidad de reserva 120 minutos

( )( )TiempoPotenciaEnergiaHKWWHEnegia

=−== 68.11680

Si el motor demanda 1.12 KW


38

PotenciaEnergiaTiempo =

horaymediaTiempoHrsTiempo

KW

==

=

.5.112.1

H-KW 1.68 Tiempo

VV

1212

2

!

=Ε=Ε

Energía total 1.68 KW-H T = 1 hora treinta minutos

%74.8585.68% −=η Potencia Mecánica

KWaKWDe

2861.1:0328.1:

EFICIENCIA DEL SISTEMA

( )( )( )6885.0%

90.085.090.0%=

==ηη


39


40

TRANSMISION ETAPA # 1

43

43

3

4

4

3 WDD

WDD

WW

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎯→⎯=

Si W4 = 3,300 RPM (sin carga) En la entrada del reductor (W3) se tendrá

( ) RPMWW 550,11330027

33 ==⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

ETAPA # 2 EL REDUCTOR DE VELOCIDAD Según datos de la placa la relación es de 8 : 1 esto es por cada 8 RPM de entrada se tiene una a la salida. Por lo que se tiene 11,550 RPM a la entrada y 1443.75 RPM a la salida.

MOTOR

VTREDUCTOR (ENTRADA)

W3 D4=7”

D2=2” W4


41

ETAPA # 3

RUEDA MOTRIZ (1) REDUCTOR (SALIDA)

D1=7” D2= 2”

( )

SegvW

RPMW

W

DD

WW

Re8750.6

5.412

75.443,172

72

1

1

1

1

2

2

1

=

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=∴

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛


42

ETAPA # 4 RUEDA MOTRIZ (2)

VELOCIDAD TANGENCIAL

hrsKm

segmV

segrev

revmV

segrevperimetrorV

T

T

T

3490.512636.14

8750.610747.2

==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛== θ


43

CONCLUSIONES

%18%175.0 =≤ ηKwPL

hKmaDeVelocidad 390.514125.41: ⎯→⎯

Respaldo de energía: 1 hora 30 minutos (max.) Autonomía: De 60 a 70 Km. Datos de acuerdo a batería plomo acido

MOTOR CD

CONTROL (*)

BATERIAS SOLARES

BATERIAS PG + ACIDO


44

2.2 FOTOS DEL CARRO SOLAR “HUASTECO” Chasis completo vista inferior

Chasis parte superior


45

Dirección (VW adaptada para el Huasteco)

Tracción trasera


46

Mecanismo del asiento giratorio adaptado para personas

discapacitadas.

Asiento vista inferior


47

Cabe hacer mención que para la elección de materiales que constituyen el

HUASTECO se analizaron todas las ventajas y desventajas del mismo tanto

mecánicas y físicas, una de las principales cualidades de los materiales que

estuve cuidando fue el peso del vehiculo, por esa razón se ocupo PTR cuadrado

para la fabricación del chasis ya que es un material ligero y muy resistente. Las

llantas son de triciclo de carga reforzadas, el rin es rodada 26 y estas están

diseñadas para cargar 190 kilos y el vehiculo cuenta con cuatro llantas se reparte

de una forma balanceada el peso y podría soportar mas que el triciclo. Y con 26

pulgadas de diámetro mayor, tengo un mejor avance longitudinal por cada vuelta

de la llanta, sin perder de vista que son ligeras tomando en cuenta la seguridad del

conductor. La dirección del automóvil el de un VW ya que es muy ligera y

económica. El asiento es de un mesa banco con una base adicional para poderlo

instalar en el carro ya que este tiene el dispositivo para que el asiento pueda girar.

Toda la carrocería es de fibra de vidrio ya que también es muy ligera y resistente y

un bajo costo. Las baterías son marinas de ciclo profundo de uso industrial, están

construidos con materiales activos de alta densidad con aditivos especiales,

además de aleaciones en sus placas que cumplen con el propósito de lograr un

mejor desempeño. Estos mismos materiales disminuyen el reblandecimiento y

desprendimiento del material activo de las placas, prolongando la vida del

acumulador sometido a dichas condiciones. Están diseñados para recibir

descargas profundas de hasta el 70 % de su capacidad, en la actualidad existe

una gran variedad de baterías pero estas cumplían con mis necesidades y el costo

es razonable. Las celdas solares traseras y delantera son monocristalinas tienen


48

un mejor arreglo de cilicio fósforo y germanio y de esta forma tienen un mejor

rendimiento ya que siguen generando energía eléctrica hasta con la luz de la luna

ya que son un reflejo de los rayos solares, son muy sensibles, claro que no con la

misma eficiencia que si estuviera expuestas directamente a los rayos solares.

Una gran parte de los materiales utilizados el carro son piezas reutilizadas (o

de desecho) para economizar al máximo y también reciclar colaborando

directamente con el medio ambiente.


49

CAPITULO III


50

3.1 FABRICACIÓN DE CÉLULAS SOLARES

El proceso de fabricación de una célula fotovoltaica consta de dos partes bien

diferenciadas:

• Elaboración y purificación del semiconductor a utilizar, bien sea silicio,

germanio, arseniuro de galio...

• Fabricación de la propia célula fotovoltaica.

La fabricación de una célula de silicio monocristalino es el siguiente:

La materia prima es el sílice, que se extrae mediante reducción, obteniendo el

llamado silicio metalúrgico, con una pureza del 98%, se vuelve a purificar hasta

llegar al silicio en grado semiconductor, con una pureza del 99,999%.

Se introduce el silicio en un crisol con impurezas de boro, formando una masa

fundida que alcanza una temperatura de unos 1.440ºC. Se dispone de una varilla

en cuyo extremo se sitúa un germen de silicio que hace que comience el proceso

de solidificación al ponerse en contacto con la masa. Se denomina método

Szchralsky.

Una vez obtenido el cilindro de silicio monocristalino, se corta en delgadas obleas,

de unos 0,3 mm. La capa superficial se restaura del corte mediante baños

químicos y, posteriormente, la oblea se introduce en hornos especiales que

alcanzan entre 800 y 1.000 ºC y que contienen una atmósfera rica en fósforo. Ahí,


51

el fósforo se va difundiendo es la cara que se quiere dopar y forma así la unión

P-N. A continuación se dota a la oblea de una capa antirreflectante para un mayor

aprovechamiento de la radiación solar, así como los contactos óhmicos para poder

conectar la oblea fotovoltaica y, para finalizar, se comprueba y se miden las

características espectrales de la célula solar fabricada.

Las células solares de silicio monocristalino están basadas en la unión del silicio, u

homounión, en contraposición a otros tipos de células solares, como el arseniuro

de silicio o heterounión. Debido al alto coste de este tipo de materiales, a pesar de

que mejoren el rendimiento del silicio, se comenzaron a estudiar las células

fotovoltaicas policristalinas, con rendimiento inferior pero considerablemente más

baratas. En la década de los 60 empezaron a considerarse en la Física del Estado

Sólido los materiales amorfos, principalmente el silicio, el único empleado hasta

ahora en esta forma para la utilización en células fotovoltaicas. Una de las

características más comunes en los sólidos amorfos es el gran número de estados

o impurezas en la banda prohibida, que aumentan así su rendimiento en la

absorción de luz, el espesor de una muestra de silicio cristalino es de 100 micras,

mientras que el silicio amorfo sólo necesita un espesor de 1 micra, en 1986 el

silicio amorfo había desplazado al cristalino.

Para mejorar el rendimiento, un español aprovechó no solo la radiación

procedente del sol, sino también la que era reflejada por la superficie terrestre,

creando así las células bifaciales. La tecnología de estas células está basada en

una doble unión, normalmente N-P-P. El problema de este tipo de células radica


52

en el elevado costo de producción a causa de su específica fabricación. Las

técnicas de producción en serie son las indicadas para fabricar láminas finas, que

requieren muy pequeñas cantidades de material activo, con lo que se abarataría

su costo.

3.2 EL SILICIO

El Silicio es todavía el material más popular para la fabricación de la mayoría de

las células solares para aplicaciones comerciales porque es abundante en la

naturaleza. Para ser útil en las células solares, debe ser refinado al 99.9999% de

pureza.

La estructura molecular de una celda individual de silicio es uniforme, lo que es

ideal para una eficiente transferencia de electrones. Para hacer una celda

fotovoltaica efectiva, se le agregan "impurezas" (dopado) para que se convierta en

tipo-n o tipo-p. Una segunda manera mucho más económica lo constituye el silicio

semicristalino, que consiste de varios cristales más pequeños conocidos como

"semillas," que introducen "límites entre nulos" al sólido. Son estas barreras lo que

impide la circulación o pasaje de electrones y los estimulan a recombinarse con

las "lagunas". Hay un compromiso entre el costo y la reducción de potencia. Para

crear las diferentes capas semiconductoras, el silicio se deben introducir

impurezas, sea con un elemento que posea un electrón en demasía (sobrante) o

por defecto (faltante). Juntando las capas `n' y `p' se crea la juntura que provoca

que el material genere electricidad cuando se encuentra frente a una fuente de luz.


53

Tres son las tecnologías disponibles, toda altamente confiable. Dos de estas

tecnologías requieren cristal de silicio, sea mono-cristalino o policristalino. La

tercera tecnología utiliza delgadas películas de silicio "amorfo" impurificado.

Los "mono" se hacen extrayendo un único cristal de un baño de silicio fundido.

Este cristal es rebanado en una configuración cercana a un cuadrado llamado

seudo-cuadrado. Poli o Multi se obtienen fundiendo silicio en moldes cerámicos

como si fuera hierro, se lo enfría lentamente por muchas horas a fin de obligar a

las impurezas a asomar a la superficie, cortando y eliminando el material impuro y

luego rebanando el silicio remanente en cuadrados o rectángulos.

Los Mono son algo más eficientes por igual unidad de área y se hacen de

recortes, excedentes de la industria de semiconductores.

El silicio Multi o policristalino puede ser obtenido más económicamente, aunque

los costos de ambas tecnologías varían cada día, dependiendo de cuestiones

locales, como la cantidad de silicio de descarte existente en el mercado libre.

En el caso de BP Solarex, trabaja ambas tecnologías: monocristalina bajo la

marca comercial BP Solar y policristalina bajo la marca Solarex en paralelo.

Para los paneles solares de silicio Amorfo, el material es vaporizado y depositado

sobre vidrio o acero inoxidable. Este procedimiento genera células menos

eficientes, pero sólo requieren de una película de silicio de un espesor burdamente

estimado en un quinto de las celdas mono o poli. Al mismo tiempo los costos de la


54

tecnología de producción son menores que la de los otros métodos. Con esta

tecnología adopta la apariencia de "vidrio coloreado". BP Solarex posee dos

tecnologías de película delgada de las cuales sólo una está ya disponible en

volumen comercial.


55

3.3 PROBLEMATICA

El estudio realizado para este proyecto básicamente esta pensando en la

cantidad de personas con capacidades diferente que existen en el estado de

Veracruz mostrando en la tabla siguiente la cifra total. Se toman en cuenta la base

de datos de INEGI para llevar acabo este proyecto el cual beneficiara estas

personas mencionadas a continuación ya que le proporcionara un vehículo el

cual es muy fácil su manejo, el mantenimiento no es muy complicado y además

cuenta con celdas solares, que maximizan su rendimiento ya que el vehículo no

requiere de ningún tipo de energía contaminante, es decir, es totalmente

renovable la energía que producen las celdas solares.

Población con discapacidad por entidad federativa según grandes grupos de edad, 2000


56

Entidad federativa Total 0 a 14 años 15 a 64 años 65 y más años No especificado

Estados Unidos Mexicanos 1 795 300 235 969 915 142 628 825 15 364Aguascalientes 17 021 2 707 8 227 5 977 110Baja California 35 103 5 255 18 967 10 669 212Baja California Sur 6 835 919 3 709 2 159 48Campeche 15 778 1 998 8 204 5 479 97Coahuila de Zaragoza 46 558 5 949 24 635 15 656 318Colima 13 022 1 532 6 659 4 731 100Chiapas 49 823 8 412 26 162 14 826 423Chihuahua 56 187 6 520 28 997 20 273 397Distrito Federal 159 754 17 015 82 399 59 772 568Durango 32 052 4 100 16 092 11 592 268Guanajuato 88 103 12 780 42 297 32 099 927Guerrero 50 969 6 864 24 766 18 357 982Hidalgo 47 176 6 654 23 634 16 385 503Jalisco 138 308 17 695 67 551 51 811 1 251México 189 341 29 702 106 035 52 414 1 190Michoacán de Ocampo 85 165 10 904 40 412 32 639 1 210Morelos 30 195 3 536 14 925 11 417 317Nayarit 21 600 2 747 10 723 7 996 134Nuevo León 69 765 8 108 37 007 24 332 318Oaxaca 65 969 8 594 31 850 24 651 874Puebla 82 833 11 666 40 709 29 808 650Querétaro de Arteaga 22 165 3 573 10 788 7 614 190Quintana Roo 12 186 2 199 6 939 2 989 59San Luis Potosí 48 190 6 338 22 838 18 408 606Sinaloa 48 370 6 284 25 398 16 368 320Sonora 42 022 5 499 21 646 14 644 233Tabasco 38 558 4 929 21 230 12 075 324Tamaulipas 52 484 5 850 26 884 19 303 447Tlaxcala 12 498 1 861 6 130 4 458 49Veracruz de Ignacio de la Llave 137 267 16 567 71 403 47 669 1 628Yucatán 47 774 5 204 23 316 18 998 256Zacatecas 32 229 4 008 14 610 13 256 355

FUENTE: INEGI. XII Censo General de Población y Vivienda 2000. Base de datos.

Porcentaje de la población con discapacidad según tipo de discapacidad para cada entidad federativa, 2000


57

3.5 FUENTES DE ENERGÍA

Entidad federativa Motriz Auditiva Del lenguaje Visual Mental OtraEstados Unidos Mexicanos 45.3 15.7 4.9 26.0 16.1 0.7Aguascalientes 49.5 14.7 3.6 21.5 18.1 1.1Baja California 55.7 12.0 3.4 16.3 17.6 0.7

Baja California Sur 48.0 13.9 4.3 22.2 18.9 0.6Campeche 40.5 15.0 5.3 37.7 13.9 0.6Coahuila de Zaragoza 51.3 13.8 3.4 21.4 16.1 0.6Colima 46.0 15.4 3.9 29.2 14.6 1.1Chiapas 40.3 14.9 8.7 28.0 15.7 0.5Chihuahua 51.8 15.2 3.6 20.7 15.6 0.5Distrito Federal 50.3 16.2 3.1 19.8 17.2 0.9Durango 51.3 14.1 3.7 23.9 14.7 0.5

Guanajuato 47.6 15.4 4.1 26.1 15.2 0.8Guerrero 42.1 16.6 7.8 27.6 15.4 0.3Hidalgo 38.8 19.0 6.4 31.2 14.5 0.8Jalisco 48.5 14.6 3.4 22.3 18.2 0.9México 45.2 15.4 4.5 23.8 17.5 1.2Michoacán de Ocampo 44.9 17.2 4.8 26.8 14.9 0.8Morelos 43.5 17.8 4.8 28.1 15.1 1.1Nayarit 43.1 16.5 4.6 28.1 16.9 0.7Nuevo León 50.9 13.1 3.6 21.8 17.3 0.6Oaxaca 37.8 18.7 7.4 31.2 13.8 0.4Puebla 43.1 17.6 6.5 26.8 14.6 0.6Querétaro de Arteaga 45.6 15.6 4.5 25.5 16.1 1.2Quintana Roo 37.8 14.5 6.5 34.6 15.6 0.6San Luis Potosí 42.4 17.8 5.4 29.5 15.1 0.8

Sinaloa 45.7 13.9 5.2 23.0 19.8 0.6Sonora 50.1 13.9 4.1 21.7 17.4 0.6

Tabasco 33.3 12.8 6.0 43.5 15.4 0.4Tamaulipas 48.0 14.0 4.9 24.9 15.9 0.5Tlaxcala 45.5 17.4 5.7 25.9 14.0 0.8Veracruz de Ignacio de la Llave 38.3 16.9 6.5 32.7 15.0 0.4Yucatán 41.3 15.1 4.5 37.0 14.1 0.7Zacatecas 46.1 17.0 4.3 26.3 15.3 0.


58

Cuando aludimos a las fuentes de energía, nos referimos a su origen. Una fuente

de energía como la que se obtiene del petróleo puede producir energía calorífica,

mecánica, química o eléctrica. Cuando hablamos de fuentes implícitamente

decimos que se trata de energía aprovechable, es decir, energía que el ser

humano puede utilizar para sus actividades. Existen los siguientes tipos de fuentes

de energía según su origen y aprovechamiento:

3.5.1 Energía del petróleo, gas y carbón.

La energía química se convierte en calor para posteriormente transformarse en

electricidad u otras formas de energía. Cuando la energía que proporcionan el

petróleo, gas o el carbón se obtiene en grandes cantidades, se transforma en

energía eléctrica a través de las centrales termoeléctricas o Carbo eléctricas. En el

caso de los transportes, la energía se transforma en cinética o mecánica o bien en

energía calorífica cuando se trata de un calentador o una estufa.

3.5.2 Energía hidráulica.

Para producirla se aprovechan las caídas del agua, por lo tanto se trata de energía

potencial. Los griegos fueron los primeros en usarla, por medio de la rueda

hidráulica para bombear agua que inventó Filón de Bizancio en el siglo III a.C. La

energía hidráulica es energía mecánica, primero potencial y después cinética.

3.5.3 Energía nuclear


59

Es la que une el núcleo de los átomos. Se transforma primero en energía

calorífica y ésta, a su vez, en mecánica y eléctrica. Los protones y los neutrones

constituyen el llamado núcleo de los átomos y los electrones gravitan a su

alrededor. Al bombardear un átomo pesado con neutrones, su núcleo se rompe o

se fisiona liberando en el proceso una enorme cantidad de energía. Al fisionarse

puede emitir también neutrones y si éstos son dos o tres, chocarán con otros

átomos produciéndose una reacción en cadena que produce la energía nuclear.

3.5.4 Energía geotérmica.

Desde tiempos remotos, el ser humano ha usado las aguas termales con diversos

fines. En México, el temascal se utilizó desde la época precolombina. Existen

pozos geotérmicos, es decir, formaciones rocosas que han atrapado agua y ésta

se calienta por la temperatura de la Tierra pudiendo estar en forma de vapor, de

mezcla vapor-líquido o líquido caliente.

3.5.5 Energía solar.

La constituye la radiación solar y se emplea para producir calor o electricidad. Una

forma de aprovechar la energía del Sol es mediante los llamados colectores, que

convierten la energía solar en calor. En nuestro país existen regiones en Sonora y

Baja California con altísimos promedios de radiación por año donde es posible

construir centrales de energía solar para satisfacer la demanda local.

3.5.6 Energía eólica


60

Es la que utiliza la energía cinética de los vientos, puede aprovecharse como tal o

convertirse en electricidad. Uno de sus primeros usos fue hace unos 3 500 años

cuando los sumerios armaron las primeras embarcaciones de vela. Una aplicación

familiar son los molinos de viento, cuya historia se remonta a la antigua Persia y

que han sido usados para bombear agua y moler granos.

3.5.7 Energía de la biomasa.

Resulta de la materia viva y los desechos orgánicos cuando se les usa como

combustible, por lo tanto se trata de energía química que se puede transformar en

cualquier forma de energía. En el uso de la biomasa como fuente energética se

emplean principalmente árboles, plantas, desechos animales y vegetales. El

ejemplo más conocido de utilización de la biomasa es la madera.


61

CAPITULO IV


62

4.1 ¿Qué tan limpios son los vehículos solares?

A veces se refieren a los vehículos solares como "vehículos de cero emisiones"

porque no producen prácticamente ninguna contaminación por el tubo de escape o

a través de la evaporación de combustible. Esto es importante porque significa

que el uso de vehículos solares podría reducir substancialmente las emisiones de

monóxido de carbono y los contaminantes que crean el smog en ciudades con aire

contaminado.

Aunque los autos eléctricos son limpios, el proceso de generar la electricidad para

cargar las baterías de los vehículos produce contaminación del aire y desechos

sólidos. Si las plantas de energía eléctricas producen electricidad utilizando

fuentes de energía limpias, tales como el sol o energía hidroeléctrica, las

emisiones son insignificantes. Pero las plantas de energía eléctricas que queman

combustibles convencionales como el carbón (usado para generar hoy en día más

de la mitad de la electricidad en EE.UU. y México) producen emisiones como

material articulado, óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y

monóxido de carbono. Estas mismas plantas también producen dióxido de

carbono, un producto de la combustión de todos los combustibles fósiles, el cual

contribuye al calentamiento global.

Hay varios factores que afectan este compromiso de contaminación. Puede que

sea más fácil controlar la contaminación en la planta de energía eléctrica que de

vehículos individuales. Muchas veces las plantas de energía eléctrica están


63

ubicadas fuera de los grandes centros de contaminación de aire urbano urbana.

Por último, aunque sólo una parte de las plantas de energía eléctrica de hoy

utilizan recursos renovables (biomasa, viento, geotérmica, o energía solar), la

electricidad puede ser producida de esas fuentes de energía limpia. Los riesgos

potenciales de salud o de seguridad asociadas con el uso propagado de vehículos

eléctricos todavía no se han evaluado completamente. Muchas de las baterías en

los vehículos contienen elementos tóxicos o producen emisiones tóxicas que

podría hacer que la producción, el transporte, el uso y la disposición de las

baterías sea un problema de desechos sólidos significativos.

4.2 ¿Qué son contaminantes tóxicos en el aire?

Los contaminantes tóxicos del aire, también conocidos como contaminantes del

aire peligrosos, son aquellos contaminantes que se sabe o se sospecha que

causan cáncer u otros efectos graves sobre la salud, como lo son los efectos

reproductivos o malformaciones congénitas o efectos ambientales adversos.

Algunos ejemplos de contaminantes tóxicos del aire incluyen benceno, presente

en la gasolina; percloroetileno, emanado de algunas lavanderías en seco; y cloruro

de metileno, el cual se utiliza en varios tipos de industria como un disolvente y

quita pinturas líquido.

Ejemplos de otras sustancias tóxicas en el aire: dioxina, asbesto, tolueno, y

metales como el cadmio, mercurio, cromo y compuestos de plomo.


64

4.3 ¿Cuáles son los efectos de los contaminantes tóxicos del

aire sobre la salud y el medio ambiente?

Las personas expuestas a los contaminantes tóxicos del aire en concentraciones

suficientemente altas y por un tiempo prolongado podrían tener una mayor

probabilidad de contraer cáncer o de sufrir otros efectos graves sobre la salud.

Estos efectos sobre la salud podrían incluir daños al sistema inmunológico, así

como problemas neurológicos, reproductivos (por ejemplo, fertilidad reducida), de

desarrollo, respiratorios, entre otros. Además de la exposición al respirar

sustancias tóxicas en el aire, algunos contaminantes tóxicos como lo es el

mercurio, podrían depositarse en los suelos o en aguas superficiales en donde las

plantas los absorben y los animales los ingieren y finalmente se amplifican a lo

largo de la cadena alimenticia. Al igual que los seres humanos, los animales

podrían sufrir problemas de salud si están expuestos a cantidades suficientes de

sustancias tóxicas del aire con el transcurso del tiempo.

4.4 ¿De dónde provienen los contaminantes tóxicos del aire?

La mayoría de las sustancias tóxicas del aire provienen de fuentes creadas por el

hombre, incluyendo las fuentes móviles (por ejemplo, autos, camiones, autobuses)

y fuentes estacionarias (por ejemplo, fábricas, refinerías, plantas de energía), así

como fuentes de aire de interiores (por ejemplo, algunos materiales de

construcción y disolventes para la limpieza). Además, algunas sustancias tóxicas


65

en el aire son liberadas por fuentes naturales como lo son las erupciones

volcánicas e incendios forestales.

4.5 ¿De qué manera está expuesta la gente a las sustancias

tóxicas en el aire?

La gente está expuesta a los contaminantes tóxicos del aire de muchas formas

que podrían presentar riesgos a la salud:

1. Al respirar aire contaminado.

2. Al comer productos alimenticios contaminados, como el pescado de aguas

contaminadas; carne, leche o huevos de animales que se alimentan de

plantas contaminadas; y frutas y vegetales o verduras sembradas en suelos

contaminados, en los cuales se han depositado sustancias tóxicas del aire.

3. Al beber agua contaminada con contaminantes tóxicos del aire.

4. Al ingerir tierra contaminada. Los niños pequeños son los más vulnerables,

ya que a menudo ingieren tierra de sus manos o de objetos que se llevan a

la boca.

5. Al tocar (tener contacto con la piel) tierra contaminada, polvo o agua (por

ejemplo, durante actividades de recreación en cuerpos de agua

contaminada o alrededor de estos).

Una vez los contaminantes tóxicos del aire entran al cuerpo, algunos son

persistentes y se acumulan en los tejidos del cuerpo. Los predadores típicamente


66

acumulan una mayor concentración de contaminantes que sus presas

contaminadas. Como resultado, los seres humanos y animales en la parte superior

de la cadena alimenticia, los cuales comen pescado o carne contaminada, están

expuestos a concentraciones que son mucho más altas que las del agua, aire o

tierra.

4.6 PRECAUCIONES

4.6.1 Luz artificial

1. Para iluminar el panel durante un tes use una luz halógena de 2 Kw. o use 2 de

1 Kw. vídeo luces halógenas portátiles.

2. Mida la intensidad de la luz en el panel, midiendo la corriente de corto circuito

que proviene del mismo (el panel sirve como un buen medidor de luz para este

propósito). Compare esto con los valores medidos con luz solar y ajuste su

luz/luces adecuadamente acercándolas o alejándolas del panel.

4.6.2 CUIDADO. No deje luces iluminando el panel por mas de un minuto sin

un periodo de enfriamiento. Las luces artificiales son mucho más calientes que la

luz solar y el panel se daña por excesivo calor. Puede usarse un ventilador para

facilitar el enfriamiento.

4. Si el tiempo lo permite haga una variedad de experimentos en cada motor

variando la intensidad para estar así preparado para carreras con poco sol.


67

4.7 CONCLUSIONES

Es un poco pronto para presentar conclusiones relevantes. No obstante, con las

medidas realizadas hasta ahora se estima que:

• La aportación energética conjunta del generador fotovoltaico junto con las

baterías del propio vehículo, se acerca al consumo medio de los equipos

del vehículo,

• Gracias a un proceso de carga continuado provocado por la corriente que

proporciona el generador fotovoltaico, si se realiza una adecuada gestión

de la carga de las baterías, se puede multiplicar su vida útil -que

actualmente está en unos tres a cuatro años.

• Con el enfoque hacia las personas discapacitadas trae una innovación

completa ya que estas por lo regular dependen de otra persona para poder

desplazarse.

• No sería racional no intentar aprovechar, por todos los medios

técnicamente posibles, esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable,

que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petróleo o de

otras alternativas poco seguras, contaminantes o simplemente agotables.

Creando así una cultura ambiental y empresarial diferente a la que

contamos en la actualidad.

• En la fabricación del carro solar la principal intención fue el crearlo para

personas con alguna discapacidad, lo segundo el no contaminar y hacer


68

uso de nuestro medio ambiente sin dañarlo, es lo que llegamos a realizar,

se puede mencionar que tanto la silla dirección y un gran numero de partes

del carro son reciclables con una vida de uso al 80 % por lo que se

garantiza.

* Una de las principales ventajas de un automóvil que trabaje con energía

alterna es la economía puesto que este tendría un costo aproximado de $

30,000 pesos lo que un automóvil que trabaja con gasolina nos saldría un

aproximado de 110, 000 pesos una gran diferencia de $ 80,000 pesos.

Tomando como referencia que las celdas solares tienen una garantía de 20

años y una vida útil de 30 años seria magnifico apoyar la comercialización

de estos vehículos puesto que a una persona discapacitada se le dificulta

viajar por la ciudad en transporte publico puesto que el mas cómodo seria el

taxi pondremos un ejemplo: En el día se gastaría un promedio de 80 pesos

para poder desplazarse a su lugar de trabajo este gasto a la semana seria

de $ 400 pesos al mes en un año se gastaría 19,200 con esta cantidad se

pudiera dar un enganche para adquirir un carro especial para ellos.


69

ANEXOS

(DIAGRAMAS)


70

4.9


71

4.10


72

4.11


73

4.12


74

4.13


75

4.14


76

4.15


77

4.16


78

4.17


79

4.18

dise±o y fabricaci³n de un autom³vil de energa solar para personas con capacidades diferentes

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