Desglosemos el problema principal, en varias secciones, para su correcta resolución.
El problema principal será desglosado en 3 problemas secundarios:
*La energía solar-eólica será almacenada en una batería.
*La batería será el suministro principal de energía para el dispositivo encargado del movimiento del vehículo.
*Los bloques funcionales del vehículo deberán tener un soporte adecuado.
Ahora, trataremos de dar solución al primer problema secundario planteado.
Conocemos bien todos nosotros, aunque sea de manera empírica, que la luz proveniente del sol contiene cierta cantidad de energía, la cuál, en la mayoría de las veces es llamada calor o más correctamente, energía calorífica. Lo anterior es cierto si consideramos la característica de dualidad que presenta la luz. Podemos explicar lo anterior, de manera muy somera; la luz y la materia pueden, a la vez, poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias. Es de nuestro especial interés las propiedades de partícula que posee la luz. Dicha propiedad, es descrita, para un caso en específico como “Efecto fotoeléctrico”.
El efecto Fotoeléctrico consiste en la aparición de una
corriente eléctrica en ciertos materiales cuando estos se ven iluminados por
radiación electromagnética. La fotoelectricidad fue descubierta y descrita experimentalmente por
Heinrich Hertz en
1887. El efecto fotoeléctrico constituía un misterio abierto de la física hasta su explicación por
Albert Einstein en
1905 quien basó su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los quantos de
Max Planck. Los
paneles solares y las células fotoeléctricas constituyen algunas de las aplicaciones más conocidas del efecto fotoeléctrico.
En el párrafo anterior se hace mención de un dispositivo que transforma la energía solar en energía eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico: PANEL SOLAR. El panel será entonces el dispositivo usado para la transformación de la energía solar en eléctrica.
Ahora, la energía eólica puede ser convertida en energía eléctrica mediante un simple generador de C.A. Dicho generador de C.A. poseerá un juego singular de aspas conectadas al rotor. Las aspas se encargarán de transformar la energía cinética producida por el viento en movimiento, el cual será transmitido al rotor y de esa forma generar corriente alterna.
Es necesario, entonces, conocer que voltaje y que corriente son capaces de producir las celdas solares, y entonces elegir las más adecuadas de acuerdo a las necesidades de nuestro proyecto.
Hasta este punto surge una incógnita (elección de la celda solar de acuerdo a su voltaje y corriente entregadas) que será resuelta solo si conocemos la posible respuesta de los dos problemas secundarios siguientes.
La elección del motor es función del peso y de la velocidad del vehículo. En este caso, deseamos nosotros una velocidad variable, pero que a la vez el motor sea capaz de mover todo el sistema, el cual, nosotros estimamos de manera empírica que tiene un peso de alrededor de 10 kilogramos. En el mercado existen muchos motores que funcionan con corriente directa (C. D.) Después de haber comparado varios tipos de ellos, decidimos utilizar el tipo de motor que se encuentra en los taladros “inalámbricos” que funcionan con baterías, ya que poseen una fuerza elevada, además de funcionar con un voltaje y corriente relativamente bajos. (9.6 V @ 1.2 A/H).
De lo anterior se desprende que será necesario utilizar baterías recargables del tipo Ni-Cd. (fueron elegidas las baterías Ni-Cd por sus grandes cantidades de ciclos carga descarga: alrededor de 1000) con un voltaje y corriente igual o mayores que las que exige el motor.
Entonces ya hemos decidido 2 dispositivos que serán usados:
*motor 9.6 V @ 1.2 A/H
*batería de Ni-Cd de 9.6V @1.2 A/H
Retomemos el primer problema. Para que las celdas solares puedan recargar una batería es necesario que su voltaje sea mayor, de por lo menos 4 V más que la batería a recargarse. La corriente entregada por las celdas solares determinará el tiempo que tarden en cargarse las baterías. Para la batería de Ni-Cd existen 4 métodos de carga:
Carga larga o normal : Con este método una batería recargada alcanza su 100% de carga entre 14 a 16 horas. La rata de carga esta determinada por la formula C/10, donde C corresponde a la capacidad de la batería en miliamperios hora. Ejemplo: Para cargar una paquete de batería de 600 mA/H, la rata de carga para carga normal será de 60 mA, Para una batería de 700 mA/H, será de 70 etc.Este método de carga es el mas usado y además el mas seguro, pues las baterías de NI-CD pueden permanecer bajo esta rata de carga durante largos periodos; días e inclusive semanas sin sufrir daños.
Carga rápida: Una batería de NI-CD descargada, puede alcanzar su carga máxima en 4 o 6 horas, la rata de carga esta determinada por C/3, es decir, la capacidad especificada de la batería dividida por 3.
Muchas baterías de NI-CD pueden aceptar este tipo de carga, pero este no es muy recomendable, porque disminuye el tiempo de vida útil de la batería.
Carga Acelerada: Con una carga acelerada se logra el 100 % de la carga de la batería en 15 minutos o menos. La rata de carga la determina la formula 3C o tres veces la capacidad especificada de la batería.
Carga de goteo: Esta rata de carga proporciona a la batería la energía perdida durante el tiempo en que este sin uso. La rata de carga se define como C/50 (capacidad especificada dividida por 50). Las baterías de NI-CD pueden permanecer bajo esta rata de carga durante un tiempo indefinido, sin que estas sufran daños y sosteniendo siempre el 100% de la carga. El uso de esta rata de carga es solo para sostener la carga de la batería, más no para cargarla.
Haremos uso del primer y del último método de carga. Tenemos nosotros baterías de 1200mA/H o 1.2A/H. Entonces la corriente que deberá entregar la celda solar deberá ser elegida en función a C/10. C=1200mA/H, entonces 1200/10 = 120mA.
120mA deberá ser entonces la corriente mínima entregada por las celdas solares. Para una batería totalmente descargada el tiempo de carga será de aproximadamente 9 horas, lográndose disminuir el tiempo de carga si la corriente es aumentada.
En el mercado de México, no existe una gran variedad de celdas solares; para propósitos muy exigentes será necesario mandar a hacer celdas solares, lo cuál resulta muy caro. En este caso, encontramos celdas de 1V@ 400mA. Entonces si hacemos un arreglo en serie con ellas lograremos elevar el votaje, pero la corriente permanecerá igual. 12 celdas cumplen con nuestro requerimiento. Y de acuerdo al arreglo en serie, lograremos construir un panel solar de 12V@ 400mA aproximadamente.
Ya tenemos 3 dispositivos elegidos:
* Motor 9.6 V @ 1.2 A/H
* Batería de Ni-Cd de 9.6V @1.2 A/H (En realidad es un arreglo en serie de 8 baterías de 1.2 V @ 1.2 A/H c/u)
* Panel solar de 12V@ 400mA
Ahora estaremos en condiciones de diseñar el circuito que cargue a las baterías mediante la energía solar.
El circuito será alimentado por el panel solar, para así lograr que la batería única y exclusivamente entregue su potencia al motor. El circuito contiene 2 bloques principales:
1.-Activación y alimentación del circuito.
2.-Control de carga de la batería.
El primer bloque se refiere a que el circuito de carga de la batería solo funcionará si el voltaje suministrado por el panel solar es mayor o igual a 12V, para asegurar la correcta operación del circuito.
Sin embargo el voltaje del panel seguirá fluyendo hacia la batería aunque el circuito controlador este desactivado.
El segundo bloque se refiere al control que se deberá tener en la carga de la batería. Si la batería esta totalmente cargada, no es necesaria carga alguna, lo cual evitará un posible daño a la batería, y si al contrario, la batería se encuentra parcialmente descargada o totalmente descargada (condición no deseable) suministrar el voltaje proveniente del panel solar (lo anterior sucederá cuando el motor esté inactivo). Un tercer caso y cuarto caso se puede dar. Si la batería se encuentra próxima a su voltaje máximo y existe un consumo bajo del motor sobre la batería, será necesario que la carga de la batería solo sea sostenida. Si el consumo del motor es alto, entonces se deberá conmutar todo el voltaje proveniente del panel solar, para así evitar una descarga profunda de la batería.
Lo anterior, describe a la perfección (y de manera general) el funcionamiento del siguiente circuito:
Click en la imagen para agrandarla.
El primer bloque del circuito esta formado por el Zener de 12V el transistor Q1 y el regulador de voltaje 78L05. El transistor Q1 solo conducirá si el voltaje del panel es mayor o igual a 12V. El voltaje de activación está determinado por el Zener conectado a la base de dicho transistor. Al conducir el transistor Q1 el regulador 78L05 queda alimentado vía R2, proveyendo de alimentación de 5V, los cuales son usados para la alimentación general del circuito y para voltaje de referencia.
Existe un comparador de voltaje flotante U2 (sin carga conectada a la batería) el cuál compara el voltaje de la batería (dividido por VR 1M y R4) con el voltaje de referencia, el cual es de 5V. La salida del comparador se encuentra en un nivel alto cuando el voltaje de la batería es menor que el voltaje flotante (el cual es ajustado vía VR). La salida es baja si el voltaje flotante es menor que el voltaje de la batería. Esta será la señal que comandará la carga-descarga de la batería.
La señal de carga-descarga, proveniente del comparador, es enviada al circuito 4013, que esta formado por un par de flip-flops tipo “D” .El 4093 obtiene la señal de reloj de un 555 conectado como oscilador astable. La señal de reloj produce que el flip-flop produzca una onda cuadrada en su salida que está sincronizada con la señal de reloj. Los dos flip-flops operan sincronizados. El flip-flop A del 4093 es el encargado de activar/desactivar el circuito que switchea el voltaje del panel solar a la batería, y el flip-flop B se encarga de manejar los led´s indicadores de carga, descarga.
La señal de carga-descarga proveniente del flip-flop A (tomada desde Q´) provoca que el transistor Q3 se encienda-apague. Tales cambios son aplicados mediante un divisor resistivo formado por R8 y R9 al transistor MOSFET de potencia Q3, el cual se encarga de conmutar el voltaje proveniente del panel solar a la batería. Nótese en el diagrama las líneas gruesas: es el camino que sigue el voltaje del panel solar antes de llegar a la batería.
La función del Diodo D4 es no permitir la descarga de las baterías hacía el panel solar, evitando así un daño severo al panel.
Así, hemos logrado resolver el primer problema secundario a la par del segundo.
Los detalles de diseño del chasis del vehículo, son mostrados en un video adjunto a este texto.
En resumen, el carro solar funciona así:
1- La energía del Sol se convierte directamente en electricidad por las celdas solares.2.- Esta electricidad es almacenada en baterías mediante un controlador. 3.- Un controlador recibe la energía de las baterías y mueve un motor eléctrico que por medio la transmisión mueve las ruedas.
CONCLUSIONES.
La energía solar es una fuente poderosa de electricidad. Nosotros, en este proyecto, hemos aprovechado una muy pequeña parte de esa energía mediante un sencillo circuito que carga a la batería. Este proyecto demuestra que es posible el uso de energías que son virtualmente inagotables y que su transformación no produce contaminantes.
Ningún diseño es perfecto a la primera: siempre es susceptible de sufrir cambios. El proyecto será mejorado y perfeccionado en cursos venideros.
