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• Hugo Vera Jàcome

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2014

MOTORES AUTOMOTRICES ALTERNATIVOS

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE PUEBLA INGENIERÍA EN SISTEMAS AUTOMOTRICES INNOVACIÓN DE UN AUTOMÓVIL ELÉCTRICO. 8ª “SA” INTEGRANTES: OSWALDO HUITZIL ALOR VICTOR HUGO ROJAS SALGADO HECTOR ORTEGA BOTIS HUGO VERA JÁCOME

INTRODUCCIÓN: Hoy en día el problema de la contaminación nos afecta a todos los habitantes del planeta tierra. Cada vez nuestro mundo se contamina más y más debido a las necesidades que nos implica la vida. Algunos contaminantes frecuentes son: El ruido, la contaminación de la basura en el suelo, el alto índice de smog en el aire, una gran de fuente de contaminación son las baterías comunes que todos usamos en nuestra vida cotidiana, esto contamina en gran manera ya que las pilas dentro, contienen componentes químicos que al ambiente son muy contraproducentes y al dejar de funcionar las pilas es muy difícil eliminar o reciclar estos residuos que tardarían miles de años para desintegrarse. La mayoría de los juguetes contienen pilas que contaminan en gran manera por eso hoy se plantea una alternativa agradable al ambiente. 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. El presente trabajo 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. OBJETIVO DE LA PRÁCTICA: Utilizar la energía solar al convertir un carro con un control remoto remplazando las baterías por una celda solar, que acciona un motor de CD a 6 volts. Así como entender el funcionamiento de un automóvil solar.

MARCO TEÓRICO: ¿Cómo Trabaja la Energía Solar? Las 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. Generación Eléctrica Por causa de sus propiedades eléctricas, los módulos fotovoltaicos producen corriente continua en lugar de corriente alterna (C.A.). La corriente continua (C.C.) 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. La C.A. es necesaria para accionar la mayoría de los artefactos grandes, refrigeradoras, etc.

En los sistemas fotovoltaicos más sencillos, la corriente continua se usa directamente. En las aplicaciones en donde es necesaria la C.A., se agrega al sistema un "inversor", que convierte la cc en ca. Efecto Fotoeléctrico 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 fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el anodo, 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, i 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 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 foto-ionización.



La foto-conducción.



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 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 Nobel. Sus pasatiempos eran las caminatas y, principalmente, interpretar melodías con el violín. Falleció en los EE.UU. en 1955 ¿Qué son las celdas solares? Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química. La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil. ¿Cómo funcionan las celdas solares? Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos considerar la naturaleza del material y la naturaleza de la luz del sol. Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas (”agujeros”) de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico. Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden re combinar pasando a través de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno. Por lo tanto si se hace un circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros positivos. La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico está determinado por:  El tipo y el área del material  La intensidad de la luz del sol  La longitud de onda de la luz del sol

La energía de salida de la célula es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz del sol. (Por ejemplo, si la intensidad de la luz del sol se divide por la mitad la energía de salida también será disminuida a la mitad). Una característica importante de las celdas fotovoltaicas es que el voltaje de la célula no depende de su tamaño, y sigue siendo bastante constante con el cambio de la intensidad de luz. La corriente en un dispositivo, sin embargo, es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz y al tamaño. Para comparar diversas celdas se las clasifica por densidad de corriente, o amperios por centímetro cuadrado del área de la célula. La potencia entregada por una célula solar se puede aumentar con bastante eficacia empleando un mecanismo de seguimiento para mantener el dispositivo fotovoltaico directamente frente al sol, o concentrando la luz del sol usando lentes o espejos. Sin embargo, hay límites a este proceso, debido a la complejidad de los mecanismos, y de la necesidad de refrescar las celdas. La corriente es relativamente estable a altas temperaturas, pero el voltaje se reduce, conduciendo a una caída de potencia a causa del aumento de la temperatura de la célula. Otros tipos de materiales fotovoltaicos que tienen potencial comercial incluyen el diselenide de cobre e indio (CuInSe) y teluo de cadmio (CdTe) y silicio amorfo como materia prima. ¿Qué es un Motor? Un motor es una máquina capaz de transformar la energía almacenada en combustibles, baterías u otras fuentes, en energía mecánica capaz de realizar un trabajo. En los automóviles este efecto es una fuerza que produce el movimiento. ¿Cuál es la clasificación de los motores?  Motores eléctricos: Cuando el trabajo se obtiene a partir de una corriente eléctrica.  Motores térmicos: Cuando el trabajo se obtiene a partir de energía térmica.  Motores de combustión interna: Son motores térmicos en los cuales se produce una combustión del fluido motor, transformando su energía química en energía térmica, a partir de la cual se obtiene energía mecánica.  Motores de combustión externa: Son motores térmicos en los cuales se produce una combustión en un fluido distinto al fluido motor. El fluido motor alcanza un estado térmico de mayor energía mediante la transmisión de energía a través de una pared. Historia de los Automóviles Solares. 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 Sidney. 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 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 an logrado captar el interés del mundo científico, enfocándolo al desarrollo del vehículo eléctrico. La 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/h. Objetivo de los Automóviles Solares 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 está presente. La verdadera importancia de un automóvil solar radica 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 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, 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 súper ligeros y resistentes como lo son el Kevlar y la fibra de carbono a manera de



sandwich con panal de abeja de fibra de aramida, 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. Por último, un auto solar no solamente es una excelente propaganda para la eficiencia y el uso de la energía solar, sino también para la ingeniería como una verdadera opción para los estudiantes de preparatoria, y esto es muy importante, ya que el ingeniero es un recurso humano fundamental para el desarrollo industrial y económico de México.

¿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 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.

DESARROLLO: CONCEPTOS BÁSICOS AUTOMÓVIL SOLAR

PARA

LA

CONSTRUCCIÓN

DE

UN

1. Factores que disminuyen la velocidad del automóvil solar. - Peso: cuanto más liviano sea el carrito, mayor aceleración el carrito alcanzará (recuerden que por la segunda ley de Newton, la aceleración es inversamente proporcional a la masa). - Resistencia del viento: la resistencia provocada por el viento disminuye la velocidad del carro. Mientras más área de contacto tenga el carrito con el viento y mientras mayor sea la velocidad del viento (la cual depende de la velocidad del aire y del propio carrito), mayor será la influencia del viento sobre él. - Fricción: la fricción entre los engranajes, las ruedas y del contacto de las llantas con la pista también disminuyen la velocidad del carrito. La fuerza de fricción depende de las características de la superficie en contacto (entre engranajes, en las ruedas y entre la llanta y el suelo). Y de la masa del carrito.

Por lo tanto, el peso del carrito debe ser el menor posible, se debe evitar elementos que aumenten la resistencia del aire (por ejemplo, puertas abiertas, carteles perpendiculares a la dirección del viento), los engranajes deben tener poca fricción (usar engranajes de plástico o aluminio) y deben estar montadas firmemente al chasis ó sobre un apoyo rígido, las ruedas deben ser perfectamente redondas y tener llantas de goma y los ejes deben ser perfectamente paralelos y bien apoyados. 2. Conceptos básicos sobre la célula fotovoltaica. Las células fotovoltaicas fueron creadas en 1954. En si ellas trasforman la luz del sol en energía eléctrica a través de un fenómeno físico conocido como efecto fotovoltaico. Las células solares están hechas generalmente de silicio. Existen varias tecnologías de células siendo las más importantes las de tipo cristalino y las de tipo amorfo. Como esto no es tan importante en este caso, lo que nos importa es cuanta energía estas celulas son capaces de entregar. La unión de varias celulas es llamada de modulo fotovoltaico. Para caracterizar una célula fotovoltaica (o un módulo) se usa su curva IV (corriente vs voltaje), como se ve en la figura siguiente:

La tensión de la célula disminuye si aumenta la temperatura de la célula, por otro lado la corriente generada aumenta si aumenta la irradiación solar sobre ella. La salida eléctrica de la célula (tensión y corriente) depende del valor de la resistencia del circuito (en este caso del motor). Para saber cómo obtener este valor se puede usar una resistencia variable unida al módulo y medir los valores de corriente y tensión obtenidos con un multímetro. Las células pueden ser conectadas en serie o en paralelo según las necesidades del motor. En un arreglo en serie las tensiones se suman (6 células de 1,5 V en

paralelo sería equivalente a una célula de 9 V), mientras que en un arreglo en paralelo las corrientes se suman (3 células de 1 A en paralelo equivalen a una célula de 3 A).

Arreglo en Serie

Arreglo en Paralelo

3. Conceptos básicos sobre el motor. Para poder avanzar el motor del carrito tiene que tener la fuerza necesaria para vencer la resistencia de los tres factores comentados arriba. Esta fuerza es igual a la potencia del motor dividida por la velocidad del carrito. Cuando el carrito arranca, la potencia del motor es pequeña. Conforme se aumenta la velocidad, la potencia del motor continuará creciendo hasta un valor determinado que depende del motor. A partir de esta velocidad, a pesar que esta aumente, la potencia del carrito empezará a disminuir. Más o menos como se ve en el gráfico:

MATERIALES:  Una celda solar de 9v.  Cable unipolar.  Un motor eléctrico de 6V con engrane.  Un carrito de juguete pequeño de plástico con eje y rueditas simple (no use baterías).  Pistola de soldar, grasa y estaño.  Pistola de silicona o frasco de silicona líquida.  Alicate de corte.  Cinta aislante.  Multímetro. PROCEIMIENTO: Primero nos dimos a la tarea de investigar la funcionalidad de las celdas solares para adaptárselas a un sistema tanto mecánico como electrónico para crear el coche solar. Después se decidió comprar un vehículo de juguete el cual solo constaba de los ejes simples. Más tarde nos dimos a la tarea de diseñar un sistema de engranaje para adaptarlo al eje trasero del vehículo, así como también comprar todos los materiales implementados en la transformación de este juguete simple en un juguete más complejo y accionado por medio de la energía del sol. Una vez concluido el sistema de engranaje para el eje trasero se probó con el motor y la celda solar y así comprobamos que efectivamente el motor era accionado por la celda solar y que este a su vez accionaba correctamente el sistema de engranaje diseñado para el eje trasero. Finalmente se realizaron diversas pruebas para verificar el funcionamiento de este nuevo Prototipo

RESULT ADOS:

Carrito de plástico adquirido para su transformación

Despiece del carrito de plástico

Chasis del carrito de plástico

Motor de CD a 6volts

Celda Solar a 9 volts

Sistema de engranaje para el accionamiento del eje motriz del carrito

Montaje del motor de CD al sistema de engranaje para el accionamiento del eje motriz del carrito

Montaje del motor de CD al sistema de engranaje para el accionamiento del eje motriz del carrito

Transformación de un carrito de juguete convencional a un carrito de juguete accionado por un motor de CD mediante una celda solar.

Transformación de un carrito de juguete convencional a un carrito de juguete accionado por un motor de CD mediante una celda solar.

CONCLUSIONES:

Concluimos en que valió mucho la pena el hacer el carro solar, ya que así pudimos observar que la energía solar realmente nos sirve para nuestra vida diaria y aun que es algo complicado la construcción, tiene ventajas y desventajas. Con este carro podemos contribuir a esta causa simplemente buscando más maneras de obtener energía eléctrica por otros medios donde no se contamine al medio ambiente. Se dice que este producto puede ofrecer un buen funcionamiento con alternativas que no contaminen al ambiente; su calidad es muy buena. Además de que se es noble con el ambiente. Nosotros hemos pensado que en los juguetes muy tradicionales y con esto se obtendrían menores índices de contaminación debido a los desechos químicos que esta produce. Todo esto con la intención de lograr métodos de transporte más sanos para el medio ambiente y para la salud de las personas, sin embargo se han visto afectados por los altos costos de producción que implica poner en funcionamiento un automóvil solar.

BIBLIOGRAFIA:

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AUTOR Varios autores-TEXTO Energía solar fotovoltaica/EDITORIAL Marcombo http://www.textoscientificos.com/energia/celulas http://www.instalacionenergiasolar.com/energia/celdas-fotovoltaicas.html