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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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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
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• Como puede ser utilizada en medios de transporte terrestre
• La importancia del vehículo solar
• Funcionamiento de un vehículo solar
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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
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.
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
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.
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
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.
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
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.
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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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
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
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
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
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
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
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
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
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
=
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=∴
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
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
42
ETAPA # 4 RUEDA MOTRIZ (2)
VELOCIDAD TANGENCIAL
hrsKm
segmV
segrev
revmV
segrevperimetrorV
T
T
T
3490.512636.14
8750.610747.2
==
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛== θ
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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
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
44
2.2 FOTOS DEL CARRO SOLAR “HUASTECO” Chasis completo vista inferior
Chasis parte superior
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45
Dirección (VW adaptada para el Huasteco)
Tracción trasera
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46
Mecanismo del asiento giratorio adaptado para personas
discapacitadas.
Asiento vista inferior
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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
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
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.
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
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,
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
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
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
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.
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
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
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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.
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
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
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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.