Ciencias de la Ingeniería

Pandilla Kids (3ro., 4to., 5to. y 6to. Año de primaria)

PK-79-CI Carro impulsado con energía fotovoltaica

Asesor: Gabriela Nicanor de la Cruz

Autor: ISABELLA FERNANDA SALDIERNA MONTOYA

Resumen

Un sistema fotovoltaico o de energía solar, es un conjunto de dispositivos cuya función es transformar la energía solar directamente en energía eléctrica, adecuada a los requerimientos de una aplicación determinada. Este sistema se compone de tres principales elementos: 1) Generación o Producción (Celdas o Módulos Solares) 2) Control (Reguladores de Voltaje o Controladores) 3) Almacenamiento (Baterías o Acumuladores). El presente trabajo de investigación intenta demostrar que los carros impulsados por energía fotovoltaica son una opción para reducir el consumo de combustibles fósiles. El método de investigación es de diseño experimental en el cual se hará un modelo a escala con los elementos mínimos necesarios que permitan investigaciones posteriores y desarrollo de tecnología.

Pregunta de Investigación

¿Es posible utilizar la energía solar para impulsar un carro remplazando otras formas de energía?

Planteamiento del Problema

¿Cómo utilizar de manera eficaz la energía fotovoltaica para reducir la contaminación del medio ambiente?

Antecedentes

La fuente de energía del planeta tierra es el sol. La energía solar es una energía universal ya que está presente en todo el planeta y es renovable.

Existen, además de los procesos fotosintéticos y sus modelos experimentales, dos formas tecnológicas conocidas en que el la humanidad puede aprovechar la energía solar: una es por medio de procesos fototérmicos para calentamiento de fluidos y generar calor; y la otra es por medio del “efecto fotovoltaico” por medio del cual, la luz solar se convierte en electricidad sin usar algún proceso intermedio. Los dispositivos donde se lleva a cabo la transformación de luz solar en electricidad se llaman Generadores Fotovoltaicos y a la unidad mínima en la que se realiza dicho efecto se le conoce como Celda Solar.

En México requerirá un futuro muy próximo (originado por el agotamiento de los recursos fósiles) una forma de aprovechar la energía fotovoltaica. Nuestro país cuenta con un amplio recurso solar estimado con una densidad energética promedio diario anual de 5.0 kWh/m2; y aprovechado la tecnología fotovoltaica, se podrían resolver los problemas energéticos que se tendrán en un futuro cercano derivado de la carencia de combustibles fósiles.

Objetivo

Demostrar que es mejor utilizar paneles solares para mover los carros mediante la elaboración de un modelo a escala de auto con panel solar

Justificación

Un carro solar es un destacado proyecto de investigación, así como de adelantos tecnológicos en aerodinámica, materiales, fotoceldas, electrónica, motores, baterías y llantas. También se pude desarrollar, los términos “eficiencia” y “energía solar” de una manera muy atractiva, por eso existe un creciente interés por esta tecnología. El carro impulsado por panel solar, es capaz de recorrer enormes distancias y viajar a una velocidad promedio de 70 km/h con una potencia menor a 1 kw, potencia equiparable a aquélla que se podría encontrar en cualquier aparato electrodoméstico. La idea de realizar grandes cantidades de trabajo utilizando muy poca potencia, es exactamente lo que es la eficiencia. Esto se logra porque el carro solar utiliza, en su construcción, materiales muy ligeros y resistentes, logrando 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

Hipótesis

Si nuestro carro proporcionara una menor contaminación al medio ambiente, entonces utilizará celdas solares aprovechando al máximo la energía del sol.

Método (materiales y procedimiento)

El método de investigación es de diseño experimental en el cual se hará un modelo a escala: utilizado en el diseño y armado de un carro con panel solar impulsado por energía fotovoltaica.

Materiales a utilizar:

  • Carro (opcional de material reutilizable):
  • Carrocería de un modelo de auto a escala de plástico (de preferencia de material reutilizable)
  • Dos ejes con de plástico con dos llantas cada uno
  • Chasis (de plástico resistente)
  • Cables
  • Herramienta (tornillos, pinzas, desarmador, cinta)
  • Panel solar 5 o 6 voltios (opcional según el peso del carrito)
  • Silicón (todo el necesario)
  • 2 LED (rojo, amarillo, verde)
  • Cables de colores
  • Modelo de carro con panel solar para armar Steren (opcional)

Desarrollo

  • Comenzar a montar los ejes del carro en el chasis de plástico. Hay que considerar que la dureza del material del chasis será importante (las medidas serán las opcionales)
  • Colocar el motor sobre el chasis con los ejes, procurando distribuir el peso. Es importante para el desplazamiento y resistencia al trabajo que el peso esté distribuido entre los dos ejes
  • Utilizar los tornillos para que el motor quede bien sujeto y montado. Sí con el movimiento el motor se mueve (baila dentro de la carrocería) el rendimiento será menor
  • Utilizar silicón para fijar bien las partes móviles
  • Dejar los cables listos (libres de presión) y listos para conectar en el panel
  • Colocar el panel solar sobre la carrocería
  • Ensamblar la carrocería con el chasis, considerando la estética y libertad de los cables que alimentan de energía al motor
  • Unir los cables del motor al panel de solar
  • Teniendo en cuenta las medidas del panel solar haremos el ajuste para ponerlos en la parte central (del toldo) de tal manera que el panel quede sostenido en el carrito (carrocería)
  • Una vez verificado la distribución del panel fijar a carrocería al chasis.
  • Hacer pruebas colocando el panel solar recibiendo los rayos del sol con las llantas levantadas y observar su movimiento
  • Sí el movimiento es libre, colocar el carro sobre el piso y observar su desplazamiento
  • Observar en qué condiciones de suelo y sol se desplaza mejor
  • Registrar las observaciones

 

Galería Método

Resultados

Mediante el desarrollo de la tecnología del carro (impulsado por energía fotovoltaica) se pudo observar que los paneles solares sí captan la energía solar suficiente para desplazar el carro, cabe aclarar que no a mucha velocidad, pero sí una constate durante mucho tiempo.

Una proyección optimista (basada en la observación del comportamiento del prototipo) se podía asegurar que:

  • facilitaría nuestra vida diaria reduciendo el uso de gasolina (menos contaminación),
  • mejoraría la circulación en carretera porque mantiene una velocidad constante y
  • mejorar el tránsito vehicular en la ciudad al no alcanzar grandes velocidades (en proyección no más de los 70 km/hr)

También observamos que es complicada la construcción, ya que se tienen que cuidar muchos pasos del proceso de ensamblado porque aumentan los costos y el resultado no es el esperado.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

El proyecto tiene el alcance para ser un modelo de referencia para futuras investigaciones en energía fotovoltaica en carros a escala.

A partir de los resultados comparados con los costos pensamos que en los juguetes tradicionales podría incluirse esta tecnología, así los niños al jugar con ellos se familiarizan (transformar la forma de ver la energía desde pequeños) para modificar el mundo del mañana con niños interesado y habituados a usar paneles solares. De inmediato lo anterior reduce el uso de baterías.

Con este carro podemos contribuir a al cuidado del medio ambiente con el hecho de buscar maneras amables de obtener energía eléctrica de bajo costo y no contamine.

Como dato accesorio al proyecto se pueden utilizar las celdas fotovoltaicas para recargar los dispositivos móviles o las baterías para su uso.

Bibliografía

  • Ponce Cruz, Pedro; de la Cueva Hernández, Víctor m.
  • 2015
  • ROBÓTICA APLICADA – Con LabVIEW y LEGO
  • Ciudad de México
  • Editorial: Alfaomega
  • ISBN: 978-607-707-696-4

 

  • Aníbal Ollero Baturone
  • 2001
  • Robótica: Manipuladores y Robots Móviles
  • España
  • Editorial: Marcombo
  • ISBN: 8426713130

 

  • Tomas Perales Benito
  • 2012
  • Instalación De Paneles Solares Térmicos, Desarrollo
  • Ciudad de México
  • Editorial: Alfaomega

ISBN: 8415270275

Summary

A photovoltaic or solar energy system is a set of devices whose function is to transform solar energy directly into electrical energy, suitable to the requirements of a given application. This system consists of three main elements: 1) Generation or Production (Cells or Solar Modules) 2) Control (Voltage Regulators or Controllers) 3) Storage (Batteries or Accumulators). This research paper seeks to demonstrate that photovoltaic-powered cars are an option to reduce fossil fuel consumption. The research method is experimental design in which a scale model will be made with the minimum necessary elements that allow for further research and technology development..

Research Question

Is it possible to use solar energy to drive a car by replacing other forms of energy?

Problem approach

How to use effectively photovoltaic energy to reduce environmental pollution?

Background

The energy source of planet Earth is the sun. Solar energy is a universal energy as it is present throughout the planet and is renewable.

In addition to photosynthetic processes and their experimental models, there are two known technological ways in which humanity can harness solar energy: one is through photothermal processes for fluid heating and heat generation; and the other is through the “photovoltaic effect” through which sunlight is converted into electricity without using some intermediate process. The devices where the transformation of sunlight into electricity is carried out are called Photovoltaic Generators and the minimum unit in which this effect is performed is known as Solar Cell.

In Mexico, a very near future (caused by the depletion of fossil resources) will require a way to harness photovoltaic energy. Our country has a large estimated solar resource with an average annual daily energy density of 5.0 kWh/m2; and using photovoltaic technology, the energy problems that will be faced in the near future arising from the lack of fossil fuels could be solved.

Objective

Demonstrate if  is better to use solar panels to move carts by developing a car-scale model with solar panel

Justification

A solar car is a leading research project, as well as technological advances in aerodynamics, materials, photocells, electronics, motors, batteries and tires. It could also be developed, the terms “efficiency” and “solar energy” in a very attractive way, that is why there is a growing interest in this technology. The solar panel-powered tank is capable of traveling huge distances and traveling at an average speed of 70 km/h with a power of less than 1 kw, power comparable to that that which could be found in any appliance. The idea of performing large amounts of work using very little power is exactly what efficiency is. This is achieved because the solar tank uses, in its construction, very light and resistant materials, achieving the least weight for a structure with a resistance that meets the safety requirements, also, the mechanical losses by friction in bearings are minimized.

Hypothesis

If our cart provides less pollution to the environment, then it will use solar cells making the most of the sun’s energy.

Method (materials and procedure)

The research method is of experimental design in which a scale model will be made: used in the design and assembly of a tank with solar panel powered by photovoltaic energy.

Materials to be used:

  • Cart (optional reusable material):
  • Body of a plastic scale car model (preferably reusable material)
  • Two axles with plastic with two rims each
  • Chassis (resistant plastic)
  • Cables
  • Tool (screws, tweezers, disassembler, tape)
  • Solar panel 5 or 6 volts (optional depending on cart weight)
  • Silicone (all necessary)
  • 2 LEDs (red, yellow, green)
  • Coloured cables
  • Car model with solar panel to assemble Steren (optional)

Development

  • Start mounting the carriage axles on the plastic chassis. It should be considered that the hardness of the chassis material will be important (measurements will be optional)
  • Place the engine on the chassis with the axles, trying to distribute the weight. It is important for displacement and resistance to work that the weight is distributed between the two axes
  • Use the screws to make the motor securely fastened and mounted. If with the movement the engine moves (dances inside the body) the performance will be lower
  • Use silicone to secure moving parts well
  • Leave the cables ready (pressure-free) and ready to connect on the panel
  • Place the solar panel on the body
  • Assemble the body with the chassis, considering the aesthetics and freedom of the cables that power the engine
  • Attach the motor cables to the solar panel
  • Taking into account the measurements of the solar panel we will make the adjustment to put them in the central part (of the awning) so that the panel is held in the cart (body)
  • Once the panel layout is verified, attach the body to the chassis.
  • Test by placing the solar panel receiving the sun’s rays with the tires raised and observe its movement
  • If the movement is free, place the cart on the floor and observe its displacement
  • Seeing in which soil and sun conditions it moves best
  • Record observations

Results

By developing the car technology (powered by photovoltaic energy) it was observed that solar panels do capture enough solar energy to displace the cart, it should be clarified that not at a high speed, but one with a lot of time.

An optimistic projection (based on observation of prototype behavior) could ensure that:

  • make our daily lives easier by reducing the use of gasoline (less pollution),
  • would improve road traffic because it maintains a constant speed and
  • improve vehicle traffic in the city by not reaching high speeds (in projection no more than 70 km/hr)

We also note that construction is complicated, as many steps of the assembly process have to be taken care of because the costs increase and the result is not as expected.

Discussion

Conclusions

The project has the scope to be a reference model for future research in photovoltaic energy in scale cars.

From the results compared to the costs we think that traditional toys could include this technology, so children when playing with them become familiar (transform the way they see energy from a young age) to modify the world of tomorrow with children interested and accustomed to using solar panels. Immediately this reduces the use of batteries.

With this tank we can contribute to the care of the environment by looking for friendly ways to obtain low-cost electricity and do not contaminate.

As an accessory to the project, photovoltaic cells can be used to recharge mobile devices or batteries for use.

Bibliography