I N D I C E

CAPITULO 1 Innovacin y diseo (Marco terico). CAPITULO 2 Anlisis mecnico. CAPITULO 3 Anlisis trmico e hidrulico. CAPITULO 4 Diseo mecnico. CAPITULO 5 Evaluacin del diseo.

ANTECEDENTES El uso excesivo de combustibles fsiles para satisfacer la creciente demanda mundial de energa, ha provocado severos daos a nuestro medio ambiente. Entre los ms preocupantes, se encuentra el calentamiento global de la Tierra, resultado de la alta emisin de gases de efecto invernadero como el CO2. En Mxico, el 74 % de la energa elctrica generada se hace a base de quemado de combustibles derivados del petrleo [1], esto quiere decir, que por cada 4 focos que mantenemos prendidos en casa, prcticamente 3 estn emitiendo indirectamente gases de efecto invernadero al medio ambiente, lo cual es altamente preocupante. Esta situacin, motiv el desarrollo del presente proyecto, en el que se ha construido un dispositivo que capaz de captar la energa abundante del Sol y almacenarla en un pequeo banco de bateras AA para su uso posterior en aplicaciones directas como cmaras fotogrficas, juguetes, pequeas lmparas, as como en aplicaciones indirectas a travs del dispensador de energa va puerto USB diseado exclusivamente para recargar bateras de celulares y Smartphones de todos tamaos y otros dispositivos que puedan alimentarse a partir de una terminal USB como lmparas de escritorio, ventiladores, radios y todo un mundo de nuevos dispositivos que se pueden encontrar en el mercado [2]. Por otra parte, los cargadores solares actualmente disponibles en el mercado ofrecen largos tiempos de recarga de bateras de celulares o bateras de respaldo (hasta 12 horas), lo que los hace completamente Imprcticos y de dudosa funcionalidad al utilizar PVs de potencia de slo 0.125 W y proponer recargar la batera interna a partir de un cargador externo conectado a la red elctrica convencional [3,4]. Por otra parte, los ms completos slo ofrecen la recarga de bateras de celulares y dispositivos con conexin USB [5], pero no la recarga de bateras AA al mismo tiempo; como lo hace el dispositivo desarrollado en el presente proyecto.

OBJETIVO

General: Desarrollar un cargador de bateras tipo AA y de celular a partir de energa solar, como una alternativa prctica, accesible y amigable con el medio ambiente.

Particulares: 1. Construir un cargador de bateras AA a partir de mini paneles fotovoltaicos, balanceado elctricamente para lograr minimizar sus dimensiones y tiempo de recarga de las 4 bateras AA. 2. Construir un dispositivo dispensador de la energa renovable acumulada en las bateras AA para su uso en pequeos equipos energizados va un puerto USB

METODOLOGA 3.1 Materiales Para la construccin del cargador de bateras AA y el dispensador de energa acumulada en las bateras AA, se requiri del siguiente material: 4 Paneles fotovoltaicos (PVs) de 1.2 V @ 400 mA 4 Bateras recargables AA, 1.2 V, 2100 mAh 1 Conector USB hembra 8 Bases para bateras AA

1 Estuche para miniTablet 2 Bases plsticas de 12 x 18.5 cm 1 Base de acrlico de 4.5 x 17 cm

Soldadura, cable, pegaacrlico y pegamento plastiacero

3.2 Diagrama de conexin elctrica de cargador de bateras AA

Conexin de 2 paneles fotovoltaicos en serie para recarga de 2 bateras AA conectadas a su vez en paralelo.

3.3 Conexin elctrica de dispensador de energa acumulada en bateras AA Conexin de las 4 bateras (o bases para bateras) en serie para suministrar su energa a dispositivos energizados va puerto USB (p. ej. celulares Smartphone).

MARCO TEORICO Los PVs, estn constituidos de materiales semiconductores, tales como el Silicio y el Arseniuro de Galio, que tienen la capacidad de captar componentes de la radiacin solar (fotones) y convertirla en energa elctrica [6]. El arreglo de las celdas que contienen los materiales semiconductores en un PV define sus caractersticas de voltaje y corriente. Los PVs usados en el presente proyecto son comercializados por Steren, y ofrecen una salida de voltaje de 1.2 V y 400 mA. Al conectar dos PVs en serie, como se indica en la figura 2, proveen en promedio 2.4 V y 400 mA. Por otra parte, las bateras AA, tpicamente se recargan a una diferencia de potencial que va de 1.4 a 2.8 V y a corrientes entre 130 y 400 mA. Como se puede ver, nuestro Arreglo de PVs, es capaz de cubrir completamente estas condiciones elctricas. El dispositivo dispensador de la energa acumulada en las bateras AA, consiste en una conexin en serie de las bases para bateras AA, a su vez, las terminales de este arreglo estn conectadas al puerto USB hembra, tal como se indica en la figura 3. Esta configuracin, ofrece 4.8 Volts de salida y hasta 2100 mA. De acuerdo a la especificacin de las bateras recargables, una batera completamente cargada es capaz de proveer 2100 mAh a 1.2 V, que expresado en trminos de energa, equivale a 2.52 Wh. El cargador de bateras construido tiene capacidad para recargar 4 bateras AA, lo cual representa en promedio 10 Wh; que es la misma energa que se ofrece en el dispensador de energa construido. El requerimiento energtico de una batera de celular convencional, se encuentra alrededor de 3 Wh, en tanto que para un Smartphone este es de aproximadamente 6.5 Wh. La recarga de ambos tamaos de bateras va USB tpicamente se hace entre 4.5 y 5 V @ 100 mA. Se puede ver que el dispensador de energa construido, cubre completamente estos requerimientos elctricos y energticos.

DESARROLLO Una vez hecho el balance elctrico y energtico de los componentes, as como la compra y preparacin de los materiales presentados en la figura 1, se llev a cabo la fijacin de dos paneles fotovoltaicos y dos bases para bateras en una de las bases plstica de 12 x 18.5 cm. Posteriormente, se hizo la conexin elctrica de PVs y bases de bateras por la parte trasera, respetando la configuracin presentada en la figura 2. Este mismo procedimiento se repiti para los otros dos PVs, base plstica de 12 x 18.5 cm y 2 bases de bateras ms. Estos dos nuevos componentes integrados se fijaron al maletn a travs de pequeos resortes ubicados en las esquinas de cada una de sus caras internas. Por otra parte a la base de acrlico de 4.5 x 17 cm, se fij las cuatro bases para bateras AA restantes as como el puerto USB hembra y se hizo la conexin elctrica entre estos de acuerdo al esquema mostrado en la figura 3.

ANALISIS MECANICO:

Silicio cristalino y arseniuro de galio son la eleccin tpica de

materiales para celdas solares. Los cristales de arseniuro de galio son

creados especialmente para uso fotovoltaico, mientras que los

cristales de silicio estn disponibles en lingotes estndar ms baratos

producidos principalmente para el consumo de la

industria microelectrnica. El silicio policristalino tiene una menor

eficacia de conversin, pero tambin menor coste.

Cuando es expuesto a luz solar directa, una celda de silicio de 6 cm de

dimetro puede producir una corriente de alrededor 0,5amperios a

0,5 voltios (equivalente a un promedio de 90 W/m, en un rango de

usualmente 50-150 W/m, dependiendo del brillo solar y la eficacia de

la celda). El arseniuro de galio es ms eficaz que el silicio, pero

tambin ms costoso.

Las clulas de silicio ms comnmente empleadas en los paneles

fotovoltaicos se puede dividir en tres subcategoras:

Las clulas de silicio monocristalino estn constituidas por un nico

cristal de silicio. Este tipo de clulas presenta un color azul oscuro

uniforme.

Las clulas de silicio policristalino (tambin llamado multicristalino)

estn constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que

explica que su rendimiento sea algo inferior al de las clulas

monocristalinas. Se caracterizan por un color azul ms intenso.

Las clulas de silicio amorfo. Son menos eficientes que las clulas

de silicio cristalino pero tambin menos costoso. Este tipo de

clulas es, por ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares

como relojes o calculadoras.

PROPIEDADES DEL SILICIO

Silicio Smbolo qumico Si

Nmero atmico 14

Grupo 14

Periodo 3

Aspecto gris oscuro azulado

Bloque p

Densidad 2330 kg/m3

Masa atmica 28.0855 u

Radio medio 110 pm

Radio atmico 111

Radio covalente 111 pm

Radio de van der Waals 210 pm

Configuracin electrnica [Ne]3s2 3p2

Electrones por capa 2, 8, 4

Estados de oxidacin 4

xido anftero

Estructura cristalina cbica centrada en las caras

Estado slido

Punto de fusin 1687 K

Punto de ebullicin 3173 K

Calor de fusin 50.55 kJ/mol

Presin de vapor 4,77 Pa a 1683 K

Electronegatividad 1,9

Calor especfico 700 J/(Kkg)

Conductividad elctrica 2,5210-4S/m

Conductividad trmica 148 W/(Km)

PRUEBAS MECANICAS DEL SILICIO

Propiedades Mecnicas

Dureza - Vickers ( kgf mm-2

) 2500

Propiedades Trmicas

Punto de Fusin ( C ) 2650-2950

Propiedades para Carburo de Silicio Fibra

Property

Value

Material

Nicalon SiC CF tow

Alargamiento a la Rotura % 1,4

Calor Especfico @25C J K-1

kg-1

1,1

Coeficiente de Expansin Trmica Longitudinal x10-6 K-1 3

Conductividad Trmica W m-1

K-1

12

Constante Dielctrica

7-9

Densidad g cm-3

2,55

Mdulo GPa 200

Resistividad de Volumen @25C Ohmcm 103

Tenacidad GPa 2,8

Propiedades para Carburo de Silicio Monofilamento

Property

Value

Dimetro del Filamento

0,1 mm

Densidad g cm-3

3,4

Mdulo de Traccin GPa 400

Resistencia a la Traccin GPa 3,5-3,75

En general disminuye con la Temperatura, pero no es proporcional al descenso del mdulo elstico creep, fases intergranulares

Propiedades mecnicas: Resistencia a la fractura

Propiedades mecnicas: Resistencia a la fractura

Variacin de la resistencia con la Temperatura Influencia de la calidad de Aumento de resistencia por la fase intergranular tratamientos trmicos

Propiedades mecnicas: Resistencia a la fractura La fiabilidad estructural est determinada por defectos microestructurales. Tipos de defectos: - Intrnsecos del material: fronteras de grano, puntos triples - Inhomogeneidades creadas en el procesamiento: aglomerados, inhomogeneidades qumicas, inclusiones, poros, crecimiento anmalo, grietas superficiales... Aproximacin probabilstica. Modulo de Weibull El anlisis estadstico se basa en la teora del eslabn ms dbil, desarrollada por Weibull. Permite obtener una ecuacin para la probabilidad de fallo

V = volumen efectivo s = tensin aplicada so = tensin caracterstica (para F = 0.632) m = mdulo de Weibull. Grado de dispersin

ANALISIS MECANICO DEL PC DE LA CARCASA DEL CARGADOR SOLAR

El policarbonato (PC) es un grupo de termoplsticos fcil de trabajar, moldear y termoformar,

y son utilizados ampliamente en la manufactura moderna. El nombre "policarbonato" se basa

en que se trata de polmeros que presentan grupos funcionales unidos por

grupos carbonato en una larga cadena molecular.

Tambin el monxido de carbono fue usado para sintetizar carbonatos a escala industrial y

producir difenil carbonato, que luego se esterifica con un derivado difenlico para obtener

carbonatos poliaromticos.

Teniendo en cuenta la sntesis al grupo carbonato, se puede dividir a los policarbonatos

en carbonatos poliaromticos y carbonatos polialifticos. Estos ltimos son producto de la

reaccin del dixido de carbono con epxidos. Teniendo en cuenta que la estabilidad

termodinmica del dixido de carbono, se requiere usar catalizadores.

Propiedades mecnicas

Alargamiento a la Rotura 100-150 %

Coeficiente de Friccin 0,31

Dureza - Rockwell M70

Mdulo de Traccin 2,3 - 2,4 GPa

Relacin de Poisson 0,37

Resistencia a la Abrasin - ASTM D1044: 10-15 mg/1000 ciclos

Resistencia a la Compresin >80 MPa

Resistencia a la Traccin 55-75 MPa

Resistencia al Impacto Izod 600-850 J/m

Tensin de Fluencia / Limite Elstico 65 MPa

Se raya muy fcilmente y no tiene fcil reparacin a diferencia del metacrilato.

Ventajas

Resistencia al impacto extremadamente elevada.

Gran transparencia.

Resistencia y rigidez elevadas.

Elevada resistencia a la deformacin trmica.

Elevada estabilidad dimensional, es decir, elevada resistencia a la fluencia.

Buenas propiedades de aislamiento elctrico.

Elevada resistencia a la intemperie, con proteccin contra rayos ultravioleta.

Desventajas

Resistencia media a sustancias qumicas.

Sensibilidad al entallado y susceptibilidad a fisuras por esfuerzos.

Sensibilidad a la hidrlisis.

Propiedades

Densidad: 1,20 g/cm3

Rango de temperatura de uso: -100 C a +135 C

Punto de fusin: aprx. 250 C

ndice de refraccin: 1,585 0,001

ndice de transmisin lumnica: 90% 1%

Combustibilidad limitada.

RESULTADOS Una vez integrado el cargador de bateras AA (ver figura 4), se llev a cabo la medicin de la electricidad alimentada a las bateras AA despus de ser captada por los PVs. La medicin hecha a mediante un multmetro, indic que los PVs alimentaban a las bateras AA los 400 mA especificados a un voltaje de 2.4 V. A esta taza de captacin de energa, las bateras se cargan entre 2.5 y 3 horas, dependiendo de la intensidad de la radiacin solar. Por otra parte, el dispensador de energa con sus 4 bateras, ofreci 4.8 V de salida y la corriente estuvo en funcin de la carga conectada va el puerto USB (ver figura 5).

Figura 4. Cargador solar de bateras

Figura 5. Dispensador de energa acumulada en bateras AA

Finalmente, es importante mencionar que la adquisicin de los materiales ocupados para el desarrollo del prototipo, requiri de una inversin de $ 1,000.00 M.N. Sin embargo, su fabricacin en masa, podra disminuir su costo de produccin hasta $ 200.00, lo que permitira poder establecerle un precio accesible para todo el pblico. 7. CONCLUSIONES El prototipo de cargador solar de celular y bateras AA construido, es capaz de recargar las bateras en un tiempo que va de 2.5 a 3 horas. La energa acumulada en las bateras, se pudo utilizar para recargar la batera de un Smartphone que requiere de 6.5 watthora de energa. El concepto de cargador de bateras independiente del dispositivo dispensador de energa, provee al prototipo una mayor diversidad en sus aplicaciones, permitindole incluir a aquellas que obtienen energa directamente de las bateras AA o a travs de un puerto USB.

El prototipo desarrollado, se presenta como una alternativa de precio accesible a todo el pblico para fomentar el uso de fuentes alternas de energa, ms amigables con el medio ambiente, al presentar CERO emisiones de gases de efecto invernadero. El costo del material utilizado para el desarrollo del prototipo fue de mil pesos (moneda nacional) y se espera que su produccin masiva disminuya este costo hasta doscientos pesos. Bajo este enfoque comercial, se analizaron las diversas opciones de empaque o maletines en que este producto se podra presentar al mercado, buscando cubrir la mayor parte de los gustos. 8. BIBLIOGRAFA 1. http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica_en_M%C3%A9xico

2. https://www.google.com.mx/search?q=usb+gadgets&hl=es

419&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ei=Cpw2UYPSAsXQ2QWA1YHIAw&ved=

0CEYQ sAQ&biw=979&bih=510

3. http://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM414102522cargadorsolarparacelularesydispositivosusbconbateria_JM

4. http://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM416404029cargadorsolarportableiphoneipodconbateriarecargable_JM

5. http://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM416152527cargadorsolariphonesonysamsunghtcnokiapspbateria_JM

6. http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico