Post on 30-Jun-2015
SEP SES SNEST
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA
Protocolo de Investigación
“Cargador Solar para Teléfonos Celulares”
Mario Alberto Carrillo Pereira
Taller de Investigación I, Grupo 127900
Ingeniería Mecatrónica
Metepec, México, Diciembre de 2009
Antecedentes
Cargador solar para teléfonos celulares
La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma y en esa transformación
siempre hay una pérdida de energía. Esa pérdida de energía se le conoce como
entropía o medida del desorden.
Los sistemas fotovoltaicos convierten directamente parte de la energía de la luz solar
en electricidad. Las celdas fotovoltaicas se fabrican principalmente con silicio, el
segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, el mismo material
semiconductor usado en las computadoras. Cuando el silicio se contamina o dopa
con otros materiales de ciertas características, obtiene propiedades eléctricas únicas
en presencia de luz solar. Los electrones son excitados por la luz y se mueven a
través del silicio; este es conocido como el efecto fotovoltaico y produce una
corriente eléctrica directa. Las celdas fotovoltáicas no tienen partes móviles, son
virtualmente libres de mantenimiento y tienen una vida útil de entre 20 y 30 años.
Generalmente, la cantidad de poder que se genera con un panel solar es de 12
voltios, los cuales se pueden utilizar de manera independiente o como conjunto en
una red.
El número de celdas solares o el tamaño del panel solar lo determina la cantidad de
luz disponible, y la energía requerida.
La cantidad de energía generada por una celda solar es determinada por la cantidad
de luz que cae directamente sobre ella, lo cual a su vez está determinado por el
clima y la hora del día. En la mayoría de los casos resulta necesario almacenar la
energía generada, para así hacer mejor uso de las celdas solares.
Actualmente, la energía solar es útil para los teléfonos celulares, postes de luz,
semáforos, y autos, principalmente, puntualizó.
En diciembre del 2006 se estudio para realizar casacas de celulares cubiertas de
celdas fotovoltaicas y que se carga con la luz solar. El problema es que es aún un
prototipo de los japoneses y no se sabe si finalmente saldrá a la venta.
(“http://www.fayerwayer.com/2007/01/celular-solar/”).
El 6 de octubre del 2008 en realizo primer consorcio para el Desarrollo de Proyectos
y Equipo para el Aprovechamiento de la Energía Solar en México. El investigador de
la Universidad de Barcelona, España, Fausto Sanz, destacó que a partir del próximo
1 de enero de 2009 empiece a funcionar en el país la primera compañía en el tipo de
energía solar.
Explicó que el proyecto es único en México y que prevé el desarrollo de trabajos de
investigación e inversión en energía alternativa, además se trata de una de las líneas
de investigación en el campo de los recursos renovables más importantes a nivel
mundial.
No obstante, México es uno de los países privilegiados, por tener todo el año sol,
situación que se presta para el aprovechamiento de esta energía alternativa.
(“http://www.elfinanciero.com.mx/ElFinanciero/Portal/”).
El 13 de febrero del 2009 se dio a conocer un prototipo de celular con celdas solares
y se investigo que una celda solar expuesta por diez minutos sería suficiente para
realizar una llamada vía celular por tres minutos y tomaría entre cuatro a cinco horas
para recargarse completamente y se descarga dependiendo al uso cotidiano que le
demos. (“www.eluniversal.com.mx/articulos/52466.html”).
El 19 de marzo del 2009 se dio a conocer el estudio para realizar casacas con celdas
solares donde se puede conectar el celular para que se pueda recargarse. Tienen
acopladas varias celdas solares a la altura del cuello, de modo que estas pueden ser
cargadas mientras realizamos nuestras labores diarias.
(“http://solucionessolares.blogspot.com/”).
Definición del problema
El problema es que algunas veces las baterías de los celulares se descargan muy
rápido y se tienen que recargar con frecuencia y muchas veces no están en un lugar
donde lo puedan recargar.
Planteamiento del problema
La energía solar es una de las mayores fuentes de energía y se debe de aprovechar
al máximo, por esto mismo hay que aplicarla en la tecnología para ahorrar otro tipo
de energía que utilizamos diariamente que esta demasiado saturada y que todo el
mundo necesita disminuir el consumo.
Entonces porque no implementar una celda solar en un dispositivo que utilizamos
diariamente como es el teléfono celular.
Es un poco complicado utilizar las celdas solares por su rendimiento pero basado en
estudios recientes sobre este tema se ha llegado a una optimización de las mismas.
Por ello se implementarán estas celdas en un celular para el ahorro de energía y
tiempo ya que hoy en día es un medio de comunicación muy necesario en la
industria y en la vida cotidiana y será muy eficaz este mejoramiento.
El mejoramiento del rendimiento del celular afectaría de manera positiva ya que si se
descarga la batería podrías utilizar de manera alternativa la celda solar para
recargarlo si no se está en un lugar apropiado, se dejaría el celular recargándose en
la intemperie un lapso de tiempo.
Estudios realizados indican que dejando recargándose en un periodo aproximado de
diez minutos sería suficiente para realizar una llamada de tres minutos y tomaría
entre cuatro a cinco horas recargarse completamente pero hay que tomar en cuenta
que no se podría estar cargando todo el tiempo porque podría sufrir una sobrecarga.
Por eso sería necesario agregar un tipo de interruptor para activar y desactivar el
funcionamiento de la celda cuando sea conveniente
Se tomaría en cuenta también utilizar su otro medio de recarga que es por contacto
de pared si no es posible utilizar la celda ya sea por condiciones climáticas o no se
requiera.
El tipo de investigación será experimental y exploratoria.
Objetivos
Objetivo general:
Diseñar un cargador solar para teléfonos celulares para aumentar el tiempo de uso
usando alterativamente el cargador tradicional.
Objetivos específicos:
Estudiar el funcionamiento de un celular para recargar su batería.
Realizar un circuito con software que simulará el funcionamiento de la celda.
Analizar los resultados finales de las pruebas realizadas para llegar a conclusiones.
Diseñar prototipo con software de dibujo para saber su probable apariencia final.
Obtener el material requerido para elaborar el prototipo.
Realizar el circuito simulado de manera real para realizar pruebas.
Realizar pruebas con el circuito hecho para observar su comportamiento.
Estudiar el funcionamiento total del celular implementando la celda.
Realizar experimentalmente un prototipo con los datos obtenidos observando su
funcionamiento.
Escribir el resultado en documentos o notas para dar a conocer los resultados.
Documentar o realizar una presentación del resultado final del prototipo.
Justificación
La energía solar podría suministrar mucha de la energía del planeta y ayudar a
eliminar la dependencia de los combustibles fósiles, causantes del calentamiento
global, si fueran más eficientes y se desarrollaran a un costo accesible para todos los
consumidores.
Muchos utilizamos baterías recargables en lugar de pilas comunes por una cuestión
de ahorro.
A pesar de que el costo inicial puede ser un poco más alto, las baterías recargables
tienen la ventaja de poder recargarse cientos de veces, lo que en definitiva las hace
muchísimo más económicas que las pilas tradicionales.
No obstante estas baterías recargables siguen teniendo una desventaja, deben ser
recargadas.
Esto implica el uso de una fuente de energía eléctrica, cuyo origen posiblemente
haya sido una central que quema algún combustible fósil para funcionar. Y ya no
parece una alternativa tan ecológica, en lugar de utilizar un cargador común, se
pueden recargar las baterías con celdas solares.
Seguramente hay decenas de cargadores solares en el mercado, pero se diseñaron
baterías incluyendo las celdas solares en el mismo cuerpo de las baterías, lo que
hace innecesario el uso de cargadores.
Se aplicaría de igual forma a los celulares montado las celdas en la cubierta del
móvil, aunque podría ser su costo un poco más caro en un principio pero ayudaría
mucho al mundo de una manera positiva para desarrollar mejoras en los mismos o
en otro tipo tecnología.
A la vez ayudará al tiempo de recarga si se requiere en una emergencia y a disminuir
el consumo de energía eléctrica, ya que hoy en día un celular es la manera más
utilizada para comunicarse en todo el mundo y con esto ya no se tendría que
preocupar más por la batería del celular.
Hipótesis
Dado el estudio de la eficiencia de las celdas solares, es posible diseñar un cargador
de baterías de un celular aumentado el tiempo de uso del móvil sin afectar su
funcionamiento tanto de la celda como el del celular, trabajando de manera
alternativa con el cargador tradicional.
Fundamentación teórica
Se considera una celda solar que genere un voltaje de 3.6 volts, ya que la mayoría
de los celulares tienen una pila de 3.6 volts, pero no siempre menciona la corriente,
ese dato se podría sacar de la ficha técnica del celular.
Obtendremos el dato de cuanto voltaje genera la celda solar para saber cuantas
fotoceldas se tienen que conectar en serie hasta que te de un voltaje igual al de la
pila, por otra parte obtendremos la cantidad corriente necesaria para hacer funcionar
el celular, la especificación de la pila de 3.6 volts dice que tiene una carga eléctrica
de 860 mAh esto es miliamperio hora.
Se tiene una celda solar de 3.6 volts con 150 mA de corriente, se puede llegar a 800
mA conectando ocho celdas en paralelo y esto no afectaría su voltaje solo afectaría
si se conectan en serie pero no aumentaría la corriente, en este caso como ya
tenemos una celda de 3.6 volts se podrían conectar mas en paralelo para disminuir el
tiempo de carga pero esto afectaría porque la extensión de las celdas ocuparían
mucho espacio y no se podrían incorporar al celular.
Por eso se utilizara solo una celda solar aunque el tiempo de carga sea de más
tiempo que con el cargador común, la cuestión es utilizar otro medio de recarga que
se podría llamar de emergencia. Para saber el tiempo total de la recarga de la batería
se puede calcular utilizando la formula siguiente:
Tiempo de carga = La carga de la batería (1.4) / La corriente del cargador (celda
solar)
Donde la carga de la batería son los 860 mAh, 1.4 es la constante de pérdidas de
carga y la corriente del cargador con los 150 mA de la celda solar.
Haciendo los cálculos se obtiene 8.02, tarda 8 horas y se multiplica 0.02 por 60 para
saber los minutos y el tiempo total de carga seria de ocho horas con un minuto. Se
podría investigar con ayuda de un experto en celdas solares, si hay una celda en el
mercado con una dimensión menor y mayor corriente para aumentar su eficiencia y
disminuir el tiempo de carga.
Se tendría que recargar el celular a la luz del sol para que tenga una mayor
eficiencia, pero la celda solar también es sensible a la luz eléctrica pero tardaría un
poco más en recargarse.
Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de módulos individuales,
con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al número de módulos
conectados en serie y en paralelo. (“http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html”)
La empresa californiana “Sunpower Systems” ha unido una batería de teléfono móvil
de litio con un conjunto de células solares que se adaptan a la batería. En un día de
mucho sol, una carga de 15 minutos podría soportar cerca de un minuto de
conversación. En cinco horas puede cargar completamente una batería, según
palabras del presidente de “Sunpower”, Henry Adams: “Puedes cargar tu batería en
el coche, en el campo o en la playa para que siempre esté preparado si necesitas
hacer una llamada de emergencia”. (“http://www.sumovil.com/rep_1105.asp”)
Cabe mencionar que las celdas solares tienen una vida útil de aproximadamente
treinta años, muchísimo más de lo que podría durar el celular mismo.
Metodología
Las actividades para realizar la investigación se presentan a continuación.
I. Obtención de datos de los elementos a usar
Se estudiará detalladamente el celular seleccionado en el que se va implementar la
celda solar, es conveniente un tipo de celular con una batería de 3.6 volts, pero de
bajo costo en un principio porque solo va a ser el prototipo. Así como el rendimiento
de la celda solar como el voltaje y corriente que genera.
II. Simulación en software de circuitos
Mediante un software de simulación de circuitos, se realizara un circuito con las
especificaciones ya obtenidas del celular para probar de manera teórica su correcto
funcionamiento, se conectaran las celdas solares en serie y paralelo para poder
observar cuán eficiente es cada uno y ver sus diferencias, implementando también
en el circuito un elemento aparte que simule la pantalla del celular como un motor
para observar su funcionamiento llegando a las conclusiones necesarias para
desarrollar en prototipo.
Se implementará también un interruptor para poder activar o desactivar el
funcionamiento de la recarga por celda y activando o desactivando la recarga por
contacto de pared, todo esto se realizará de manera previa con el software de
circuitos.
III. Obtención de resultados y conclusiones
Ya hecho el circuito en el software se estudiaran los resultados obtenidos,
averiguando si se puede mejorar dependiendo en la manera en que se conecten las
celdas comúnmente las baterías de los celulares son de 3.6 ó 3.7 volts, las celda
solar requerida seria una que genere 3.6 volts pero se podrían conectarse dos o más
celdas en serie para generar este voltaje o paralelo para aumentar la corriente.
Con esto se sabrá si su funcionamiento es eficiente y se llegará a una o más
conclusiones.
IV. Diseño del prototipo con software de dibujo
También en necesario apoyarse en un software de dibujo como un programa CAD o
SOLIDWORKS para tener un diseño aproximado del celular ya terminado. Esto es
muy requerido ya que si por alguna razón se necesite cambiar el diseño se haga por
medio de algún programa y no tener que repetir el prototipo por alguna falla.
V. Obtener material requerido para el prototipo
Ya hecho estos cálculos en el software, se conseguirá el material requerido para la
realización del prototipo, primero que nada es necesario lo fundamental que es el
celular y la celda solar.
VI. Realizar circuito simulado
Se conectarán la celda y la batería como se indico en la simulación para saber si su
funcionamiento corresponde con el software.
VII. Realizar pruebas
Se harán pruebas para saber su funcionamiento y se someterá a diferentes tipos de
ambientes para saber la cantidad de tiempo que tarda en recargarse la batería que
obviamente el funcionamiento de la celda es más eficiente en un clima soleado y
despejado.
VIII. Funcionamiento final implementado al celular
Estudiar la duración de la batería utilizando todos los componentes del celular como
cámara fotográfica si cuenta con ella y su funcionamiento si esta activada mientras
este en uso el celular si la batería esta casi descargada.
IX. Se completará el prototipo
Realizadas estas pruebas se completara el prototipo en su totalidad con las
características diseñadas anteriormente.
X. Escribir resultado en documentos o notas
Con todas las pruebas realizadas y el prototipo completado se escribirá el resultado
en documentos o notas donde se indicará cómo funciona el prototipo.
XI. Documentar resultado final del prototipo
Realizar conferencia o exposición mostrando el resultado final del proyecto para su
crítica constructiva., explicando de manera clara y precisa como se llego al resultado.
Temario tentativo de la investigación
1. Titulo del proyecto
2. Objetivo del proyecto
3. Resumen
4. Dedicatorias
5. Índice
6. Antecedentes
7. Características del prototipo
a. Materiales
8. Análisis teórico y practico
9. Simulación con software
10.Estudio de los resultados
11.Modelo del prototipo en software de dibujo
12.Construcción del prototipo
13.Pruebas del prototipo
14.Aplicación y resultados
15.Costos
16.Conferencia
a. Discusión de posible difusión
b. Propuestas
17.Recomendaciones de uso
18.Referencias
19.Apéndice
Cronograma de actividades
Recursos humanos
ACTIVIDAD AGO SEP OCT NOV DIC ENE FEB MAR
Obtención de datos de los elementos a usarSimulación en software de circuitosObtención de resultados o conclusionesDiseño gráfico del prototipo con software de dibujoObtener material requerido para el prototipoRealizar circuito simulado
Realizar pruebas
Funcionamiento final implementado al celularSe completará el prototipo
Escribir resultado en documentos o notasDocumentar resultado final del prototipo
El investigador laborara en todo el proceso de investigación, no se necesitara la
colaboración de algún recurso humano.
Recursos materiales
Mesa de trabajo de 1m x 2m con contactos de 120v.
Fuente generadora de voltaje de 0 a 10 volts y 10 Amperes.
Multímetro equipado con voltímetro y conductividad marca fluke.
Cable de circuitos para realizar las conexiones debidas.
Desarmador plano de 1.4mm.
Desarmador phillips de No. 0.0.
Computadora Toshiba con sistema operativo Windows vista, procesador Intel Core
Duo, 1Gb de RAM y 120Gb de disco duro.
Celular o teléfono móvil nokia, equipado con cámara digital y batería de 3.6 volts.
Celda solar de 3.6 volts.
Cautín marca truper de lápiz.
Soldadura de estaño.
Interruptor de dos pasos.
Materiales adhesivos.
Recursos financieros
Gasto corriente
Concepto Monto presupuestado
Pago de servicios externos especializados a terceros $ 1700Materiales de consumo de uso directo (seres vivos, energéticos, combustibles)
$ 500
Operación y mantenimiento de laboratorios y plantas piloto $ 350Diseño y prototipos de prueba $ 1000Herramientas y dispositivos para pruebas experimentales $ 700Acervos bibliográficos, documentales, servicio de información científica y tecnológica
$ 400
Software especializado $ 1500Registro de patentes $ 10000Actividades, publicaciones y materiales (divulgación y difusión) $ 5000Tesis $ 1860Otros $ 1000
Total gasto corriente $ 24010
Gasto inversión
Equipo $ 8000Total gasto inversión $ 8000
Total gasto corriente + gasto inversión: $ 32010
Acciones de difusión previstas
Se llevara a cabo la impresión de una tesis con la explicación del proyecto, una
presentación o conferencia explicando el proyecto en la institución donde de llevo a
cabo, conferencias en medios relacionados con nuevas tecnologías en diferentes
instituciones como el congreso internacional de mecatrónica, publicación en
periódicos y en revistas tecnológicas, ponerse en contacto con alguna televisora para
dar a conocer el proyecto.
Fuentes de consulta
[1] El mañana, “Eficientan celdas solares”, Ed. Argos S.A. de C.V., 2009.
[2] J. Franchín, “Plásticos Capaces de Convertir Luz en Electricidad”, Selected
Science News, Sept. 2009.
[3] http://www.neoteo.com/baterias-recargables-con-celdas-solares-diy-14867.neo
210809, 15:07.
[4] http://www.amazings.com/ciencia/noticias/150709b.html, 220909, 13:12.
[5] http://www.sumovil.com/rep_1106.asp, 220909, 19:50.
[6] http://www.biodisol.com/medio-ambiente/lg-presento-un-telefono-movil-que-
puede-recargar-su-bateria-con-un-panel-solar-que-tiene-en-su-tapa-energias-
limpias-energia-solar-investigacion-e-innovacion/, 171009, 20:21.
[7] http://www.celdassolaresflexibles.com/index_files/OEM_Components/
Instructions_OEM.php, 081109, 18:32.
[8] http://www.muyinteresante.es/index.php/tecno/24-tecno/8007-energia-solar-
portatil, 091109, 13:15.
[9] http://www.itlalaguna.edu.mx/Academico/Carreras/electronica/opteca/
OPTOPDF4_archivos/UNIDAD4TEMA2.PDF, 161109, 23:40.
[10] http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html, 161109, 23:55.