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PROYECTO DE CIENCIA Y TECNOLOGIA 2015

Quispicanchi UGEL

Tupac Amaru III.E

CusipataDISTRITO

QuispicanchiPROVINCIA

CuscoDEPARTAMENTO

Ciencia , Tecnologia y AmbienteÁREA

Cargador de Celular a SolarTITULO DEL PROYECTO

Nilda Quispe MamaniAUTORES

Quinto Grado de SecundariaGRADO DE ESTUDIO

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PRESENTACIÓN

La Institución Educativa “Tupac Amaru II” del distrito de Cusipata pone en consideración de los señores miembros del jurado calificador, estudiantes y al público en general asistente al exposición de proyectos de Ciencia y Tecnología 2015.

El presente proyecto de cargador solar para celulares, que realizamos pretende difundir, promocionar, concientizar a la población sobre la energía renovable.

La culminación de este proyecto fue posible gracias al esfuerzo de mis profesores y mi persona Nilda, que juntos logramos superar todos los obstáculos y podemos llevar a cabo nuestro proyecto. Le doy gracias a mis familiares y nuestra profesora por ofrecernos sus conocimientos en que concierne a los detalles técnicos y metodológicos.

Gracias

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RESUMEN

El presente proyecto muestra la implementación y diseño de cargador solar para teléfonos celulares, el cual está constituido por dos paneles fotovoltaicos que transforman la energía solar en energía eléctrica, esta energía aplicada en paralelo con regulador de voltaje y las baterías produce una corriente que es capaz de cargar las baterías en condiciones climáticas donde haya luz solar. La intención es poder convertir la energía solar en energía eléctrica y poder almacenarla para así utilizarla cuando sea necesario para poder cargar cualquier teléfono celular a través de un puerto USB.

Palabra clave: cargador, teléfonos celulares, panel fotovoltaico, baterías recargables, regulador de voltaje, energía eléctrica.

INDICE

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1. ANTECEDENTES...........................................................................................................................................5

2. INTRODUCCIÓN...........................................................................................................................................5

3. EL PROBLEMA DE LA INVESTIGACION.........................................................................................................5

3.1 PLANTEAMIENTO DE PROBLEMA........................................................................................................5

3.2 OBJETIVOS:..........................................................................................................................................6

3.2.1 Objetivo General:............................................................................................................................6

3.2.2 Objetivo Particulares:......................................................................................................................6

3.3 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN................................................................................................7

3.4 Delimitaciones.....................................................................................................................................7

3.5 Limitaciones........................................................................................................................................7

4. MARCO TEÓRICO.........................................................................................................................................8

4.1 LUZ SOLAR...........................................................................................................................................8

4.2 RADIACIÓN SOLAR EN CUSCO.............................................................................................................8

4.3 PANELES FOTOVOLTAICOS..................................................................................................................9

4.4 BATERÍAS RECARGABLES...................................................................................................................10

4.5 REGULADOR DE VOLTAJE 7805........................................................................................................10

4.6 DIODO...............................................................................................................................................11

5. ANTECEDENTE DE LA INVESTIGACIÓN.......................................................................................................11

6. METODOLOGIA E IMPLEMENTACION.......................................................................................................11

6.1 DIAGRAMA DE CONEXIÓN DEL PROTOTIPO......................................................................................11

6.2 DESARROLLO.....................................................................................................................................12

6.3 HERRAMIENTAS UTILIZADAS.............................................................................................................14

6.4 CUADRO DE MATERIALES Y COSTOS................................................................................................14

7. RESULTADOS.............................................................................................................................................14

8. CONCLUSIONES.........................................................................................................................................15

9. RECOMENDACIONES.................................................................................................................................15

10. BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................................16

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1. ANTECEDENTES

El uso excesivo de combustibles fósiles como petróleo, gas, y energía producido en centrales hidroeléctricas, para satisfacer la creciente demanda en nuestra ciudad de cusco y a nivel mundial de energía, ha provocado severos daños a nuestro medio ambiente. Entre los más preocupantes, se encuentra el calentamiento global de la Tierra, resultado de la alta emisión de gases de efecto invernadero como el CO2.

Además la energía producida en el central de hidroeléctrica de machupiccho ya no abastece al departamento de cusco, incluso en Distrito de cusipata a sufrido apagones en varias veces. Y el costo de energía esta cada más caro, y es una problema para muchas familias.

Esta situación nos motivó para desarrollar el presente proyecto, en el que se ha construido un dispositivo, capaz de captar la energía abundante del Sol y almacenarla en un pequeño banco de baterías para su uso posterior en aplicaciones directas como “dispensador de energía vía puerto USB” diseñado exclusivamente para recargar baterías de celulares y de todos tamaños, así como en aplicaciones indirectas para cámaras fotográficas, juguetes, pequeñas lámparas y otros dispositivos que puedan alimentarse a partir de una terminal USB como lámparas de escritorio, ventiladores, radios y todo un mundo de nuevos dispositivos que se pueden encontrar en el mercado.

2. INTRODUCCIÓN

Los equipos de telefonía celular son una tecnología usada prácticamente por toda las personas en la ciudad de cusco, con la que a diaria se interrelaciona, con la finalidad de estar comunicado en cualquier momento y cualquier lugar, debido a que esta tecnología necesita alimentarse con frecuencia de alguna fuente de energía, se planteo la intención de llevar a cabo el diseño e implementación del prototipo para la alimentación de celulares a partir de luz solar, es una ideología diferente de los sistemas que se encuentran hoy en mercado, además costo de los cargadores que se encuentra en el mercado es caro. El cargador que implementaremos tiene la facilidad de manipulación para cargar a los celulares y costo está al alcance de los usuarios que se encuentran en CUSCO.

3. EL PROBLEMA DE LA INVESTIGACION

3.1 PLANTEAMIENTO DE PROBLEMA

La tecnología de telefonía celular, es un fenómeno que tomo por sorpresa a muchos países de América, y Perú es un país que tiene altos consumos de estos productos, entre ellos este departamento de cusco. En Perú hay un alto consumo energético por diversos factores, entre esos está el consumo producido por los cargadores de los celulares en el momento de cargar la batería del celular, a esto se le suma el gasto energético producido por el descuido de muchas personas por dejar el artefacto de carga conectado al toma-

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corriente diariamente, lo que lleva a un problema de carácter internacional, ya que actualmente se está tratando de luchar contra el calentamiento global que está causando grandes fenómenos naturales en todas partes del mundo, provocando pérdidas y hasta muertes.

La baterías que usan estos celulares tienen que estar cargándose constantemente por un periodo de tiempo prolongado dependiendo del consumo del celular, y por causa de esto no hay certeza de cuánto tiempo exacto tendría que estar alimentado el celular para su carga máxima y de esta manera llevar un tiempo estimado de conexión con los alimentadores.

Las personas que constantemente están fuera de sus casas, ya sea por causa de trabajo o por otros factores, están atados a cargar sus teléfonos celulares en horas de la noche, esto trae por consecuencia que de tener algún inconveniente en el momento de cargar el celular y su celular queda sin batería, si está en un viaje largo y olvida su cargador, si esta en un lugar sin conexiones eléctricas como puede ser montaña o diferentes zonas de ciudad de cusco, que por falta de recursos no tienen servicio eléctrico o si simplemente el cargador es defectuoso, esta persona quedaría incomunicada.

Basándose en dicha situación problemática, nosotros planteamos diseñar un modelo de un sistema de alimentación de energía alternativa, como lo es el sol, para la telefonía celular en general, sin limitación de uso según la hora del día. Este proyecto servirá de gran aporte para impulsar el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en el uso de energías alternativas.

3.2 OBJETIVOS:

3.2.1 Objetivo General:

Diseñar un modelo de cargador solar para de telefonía celular, como una alternativa práctica, accesible y amigable con el medio ambiente.

3.2.2 Objetivo Particulares:

a) Implementación de un cargador de baterías AA a partir de mini paneles fotovoltaicos, balanceado eléctricamente para lograr minimizar sus dimensiones.

b) Construir un dispositivo “dispensador” de la energía renovable acumulada en las baterías AA para su uso en pequeños equipos energizados vía un puerto USB.

c) Probar el modelo final del cargador solar para detectar fallas o defectos del mismo.

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3.3 JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN

Actualmente, en nuestra ciudad de cusco y nivel Perú se está observando con mayor incremento el respeto y la valoración del medio ambiente, por lo cual uno de los temas mayormente tratados es el ahorro energético, debido a la gran cantidad de cambios climáticos que se están presentando en el Perú y en el mundo.

Una de las causantes de esta situación problemática son los innumerables equipos eléctricos y electrónicos que presentan la necesidad de funcionar mediante la alimentación por medio de una toma de corriente, equipo, entre esos se encuentra principalmente el cargador del celular, ocasionando así un gasto de electricidad, que podría ser aprovechado adecuadamente en otras cosas.

Este proyecto que estamos realizando estará dado en primera instancia para reducir el consumo, personal de energía de los usuarios que viven en la ciudad de cusco, y facilitar la alimentación de la batería de los teléfonos celulares en cualquier momento del día, sin importar el lugar donde se encuentre.

3.4 Delimitaciones

Se alimentaran celulares de 3 a 5 Voltios El tiempo de trabajo en el proyecto es limitado, tan solo un mes. El presupuesto se limita en el desarrollo del proyecto. Este proyecto estará limitada a la creación de un modelo de cargador solar, que sea

capaz de cargar las baterías de los celulares a través del puerto USB siempre y cuando esté cargado el banco de baterías del cargador solar, que sus fuente de energía sea la luz solar y que su uso no esté restringido por la hora a la que se emplee.

3.5 Limitaciones

Para realizar este proyecto tuvimos suerte de contar con los espacios, tiempo y materiales para la construcción del prototipo en su totalidad, aunque hubo algunas dificultades, como en la compra y ubicación de materiales en nuestra ciudad de cusco, como baterías de AA, paneles fotovoltaicos, regulador de voltaje; el tiempo disponible para el desarrollo del proyecto y problemas en el uso de las áreas de trabajo establecidas, pese a esto, se pudo cumplir con lo planeado en el tiempo trazado.

4. MARCO TEÓRICO

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4.1 LUZ SOLAR

La luz solar (radiación electromagnética) es la principal fuente de energía que recibe la tierra. Gracias a ella, el planeta puede sostener la vida como la concebimos hoy.

La energía solar puede ser transformada en luz, calor o electricidad. La energía solar llega a la tierra a través del espacio, mediante los fotones que son partículas de energía y las radiaciones solares.

Del total de la energía solar recibida por la tierra, un 30% es reflejado por las nubes y partículas presentes en la atmosfera, volviendo al espacio exterior, un 14% es absorbido por la atmosfera y solo un 56% llega a la superficie terrestre. Los océanos y los continentes absorben parcialmente esa energía. Mientras que otra parte vuelve a la atmosfera como calor irradiado y reflejado.

Para la conversión de la luz solar a energía eléctrica es necesario utilizar un transformador de energía solar fotovoltaica en cual tiene incluido algunos circuitos elevadores de tensión para así poder utilizar este tipo de energía, esta es la nueva inversión para el futuro, ya que esta energía es limpia y el objetivo es producción energía eléctrica para el consumo diario.

4.2 RADIACIÓN SOLAR EN CUSCO

En el departamento del Cusco, casi todas las estaciones meteorológicas registran datos de número de horas de sol y solo dos estaciones (Kayra y Corpac), ambas en la ciudad capital (3 400 m snm) registran datos de radiación solar global (Hd), por lo que se han construido en base a registros de meses de diferentes años una serie completa de un año para las estaciones de Urubamba ( 2900 m snm) y Quillabamba ( 1000 m snm), de tal forma que las series usadas se aproximan lo más posible a los valores medios mensuales de radiación global . De otro lado, se ha estimado en cada caso la fracción de horas de sol i (relación entre las horas realmente observadas en un día y la cantidad máxima de horas de sol de ese día.

En el siguiente figura 1 muestra la radiación solar en el Cusco, en diferentes épocas del año. Como se muestra en el figura, los meses febrero, noviembre y mayo tiene mayor radiación solar en departamento de cusco.

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Figura 1. Radiación solar en el departamento de Cusco

4.3 PANELES FOTOVOLTAICOS

Un panel fotovoltaico es un dispositivo electrónico que convierte la energía de la luz del sol directamente en energía eléctrica mediante lo que se conoce como el efecto fotovoltaico. Los fotones de la luz solar impactan el panel solar y son absorbidos por el material semiconductor, como el silicio, los electrones son liberados de sus átomos, lo que permite a estos fluir para producir electricidad, en forma de corriente directa (DC).el panel fotovoltaico se muestra en la siguiente figura 2

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Figura 2. Panel fotovoltaico

4.4 BATERÍAS RECARGABLES

La baterías son dispositivos que sirven para almacenar energía eléctrica.Una batería está compuesto por dos electrodos, un cátodo y un ánodo, positivo y negativo con separador poroso entre los dos. En el momento de carga de la batería la velocidad de carga es determinada generalmente por miliamperios por hora (mAh) la capacidad de la batería.

Por otra parte, las baterías AA, típicamente se recargan a una diferencia de potencial que va de 1.4 a 5 V y a corrientes entre 130 y 400 mA. Como se puede ver, nuestro arreglo de Paneles fotovoltaicos, es capaz de cubrir completamente estas condiciones eléctricas.

La energía acumulada en las baterías AA, consiste en una conexión en serie de las bases para baterías AA, a su vez, las terminales de este arreglo están conectadas al puerto USB hembra, tal como se indica en la figura 4. Esta configuración, ofrece 4.8 Volts de salida y hasta 2100 mA. De acuerdo a la especificación de las baterías recargables, una batería completamente cargada es capaz de proveer 2100 mAh a 1.2 V, que expresado en términos de energía, equivale a 2.52 W‐h. El cargador de baterías construido tiene capacidad para recargar 4 baterías AA, lo cual representa en promedio 10 W‐h; que es la misma energía que se ofrece en el “cargador construido”. El requerimiento energético de una batería de celular convencional, se encuentra alrededor de 3 W‐h, en tanto que para un celular este es de aproximadamente 6.5 W‐h. La recarga de ambos tamaños de baterías vía USB típicamente se hace entre 4.5 y 5 V a 100 mA. Se puede ver que el “cargador” de energía construido, cubre completamente estos requerimientos eléctricos y energéticos.

4.5 REGULADOR DE VOLTAJE 7805

Un regulador de voltaje 7805, que es un componente común en muchas fuentes de alimentación, como su nombre indica que sirve para regular voltaje producido por paneles fotovoltaicos. Tienen tres terminales de (voltaje de entrada, tierra y voltaje de salida) y soporta una corriente de 1A, ver la figura 3.

Figura 3. Regulador de voltaje

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4.6 DIODO

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad. En la figura 4 se puede observar el modelo de diodo utilizado.

Figura 4. Diodo 1N4004

5. ANTECEDENTE DE LA INVESTIGACIÓN

Los estudios consultados, que guardan relación con la temática abordada en esta proyecto se describen a continuación:

Pozos Barcelona, O. (2010). Diseño e implementación de un cargador solar portátil. Tesis licenciatura. Ingeniería electrónica y comunicaciones. Departamento de computación, electrónica y Mecatrónica, escuela de Ingeniería, Universidad de las Américas Puebla.

Estos cargadores solares para celulares no son tan nuevo, en otros países ya existen, pero es muy caro, no está al alcance económicamente de los usuarios. Lo que nosotros estamos construyendo está al alcance de los usuarios en la ciudad de cusco.

6. METODOLOGIA E IMPLEMENTACION

6.1 DIAGRAMA DE CONEXIÓN DEL PROTOTIPO

Conexión de 2 paneles fotovoltaicos en paralelo conectados a regulador de voltaje para recarga baterías AA conectadas a su vez en serie, luego se coloca conector de USB y finalmente se conecta al móvil. Como se muestra en la figura 5

Figura 5. Diagrama de conexión del prototipo

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6.2 DESARROLLO

Una vez realizado las compras y preparación de los materiales presentados en la figura, se llevó a cabo la fijación de dos paneles fotovoltaicos. Posteriormente, se hizo la conexión eléctrica de Paneles fotovoltaicos y bases de baterías por la parte trasera, respetando la configuración presentada en la figura. Este mismo procedimiento se repitió para los otros dos paneles fotovoltaicos, y bases de baterías más.

Todo los materiales y herramientas utilizados se muestra en la figura 6 y figura7

Figura 6. Todos los materiales utilizados

Figura 7. Las herramientas Utilizadas para implementación de proyecto

Primero conectamos las paneles fotovoltaicos en paralelo.segundo avance fue la regulación de voltaje obtenida por el panel solar, en donde obtenemos un voltaje muy superior al que se requiere y para esto se

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diseña un regulador de voltaje capaz de proporcionar una tensión y amperaje con parámetros de desempeño requeridos.

6.3 HERRAMIENTAS UTILIZADAS.

Cautín: se utilizo cautín tipo lápiz para soldar Estaño: para soldar circuitos. Desarmador: plano: para realizar los ajustes requeridos Pinzas de corte y plana: son instrumentos muy necesarios para cortar los cables

necesarios en el desarrollo del armado de prototipo. silicona

6.4 CUADRO DE MATERIALES Y COSTOS

COMPONENTE DESCRIPCIÓN CANTIDAD COSTO(soles) TOTAL(soles)Paneles

fotovoltaicos5V a 400mA 1 15.00 15.00

Regulador de voltaje

7805 1 0.50 0.50

diodo 1N4004 1 0.20 0.20transistor BC548 1 0.50 0.50

condensador 100uF 2 0.50 1.00Interruptor 1 0.50 0.50Baterías

RecargablesAA 1 8.00 8.00

Conector USB 1 0.50 0.50Bases para baterías AA

1 1.00 1.00

Cables, silicona, estaño

1 5.00 3.00

TOTAL 30.2

7. RESULTADOS

Una vez integrado el cargador de baterías AA, se llevó a cabo la medición de la electricidad alimentada a las baterías AA después de ser captada por los Paneles fotovoltaicos. La medición hecha a mediante un multímetro, indicó que los paneles fotovoltaicos alimentaban a las baterías AA los 400 mA especificados a un voltaje de 2.4 V.

A esta taza de captación de energía, las baterías se cargan entre 2.5 y 3 horas, dependiendo de la intensidad de la radiación solar. Por otra parte, el dispensador de

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energía con sus 4 baterías, ofreció 4.8 V de salida y la corriente estuvo en función de la carga conectada vía el puerto USB.

8. CONCLUSIONES

Se cumplieron con los objetivos planteados para el diseño y la implementación del cargador solar para equipos de telefonía celular.

El cargador solar para equipos de telefonía celular cuenta con dimensiones de 26 cm de largo, 23cm de ancho y tan solo 4cm de espesor, por ser una cartera lo hace un dispositivo fácil de portar.

A través de los paneles fotovoltaicos se cargan constantemente las baterías recargables para luego ser usada en cualquier momento ya sea de día o noche.

El cargador solar puede funcionar con diversos modelos de telefonía celular que utilicen como puerto de carga un USB, suministra 5V DC y una Corriente de 500mA.

El prototipo desarrollado, se presenta como una alternativa de precio accesible a todo el público para fomentar el uso de fuentes alternas de energía, más amigables con el medio ambiente, al presentar CERO emisiones de gases de efecto invernadero. El costo del material utilizado para el desarrollo del prototipo fue de 30.2 soles.

9. RECOMENDACIONES

Como recomendación sería importante contar con unos modelos de paneles más eficientes, de esta manera pudiera disminuir considerablemente el tamaño del prototipo.

Orientar el cargador directamente hacia el sol No poner obstáculos frente al cargador

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10. BIBLIOGRAFÍA

[1]. http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_el%C3%A9ctrica_en_M%C3%A9xico[2]. http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico[3]. Realización de un cargador de baterías solar para dispositivos portales. AUTOR:Juan Camilo Amortegui

Cuevas[4]. Revista de investigación y ciencia. Editorial española[5]. Radiación solar en cusco: http://deltavolt.pe/atlas/atlassolar/radiacion-departamento