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Matriz Fotovoltaica para el Servicio de Carga El�ctrica de Tel�fono Celulares

 

Photovoltaic Matrix for the Electric Charging Service for Cell Phones

 

Matriz Fotovoltaica para o Servi�o de Carregamento El�trico de Celulares

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: kelly2105@unesum.edu.ec

 

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de enero de 2023 *Aceptado: 14 de febrero de 2023 * Publicado: 23 de marzo de 2023

 

      I.         Ingeniera en Computaci�n y Redes. Universidad Estatal del Sur de Manab�. Jipijapa, Manab�, Ecuador.

    II.         Ingeniero en Contabilidad y Auditor�a - Analista de Sistemas - Master en Contabilidad y Auditor�a, Docente de la Carrera de Tecnolog�as de la Informaci�n de la Universidad Estatal del Sur de Manab�. Jipijapa, Manab�, Ecuador.

   III.         Ingeniera en Estad�stica Inform�tica-M�ster en Comunicaci�n y Marketing - Docente de la Carrera de Ingenier�a Civil de la Universidad Estatal del Sur de Manab�. Jipijapa, Manab�, Ecuador.

Resumen

En la actualidad existe una gran demanda de energ�a el�ctrica continua, que es la que se requiere para el uso de los dispositivos electr�nicos que de manera intensiva se utilizan en la cotidianeidad de los habitantes de la Universidad Estatal del Sur de Manab�, particularmente para tel�fonos celulares o Smartphones, que desde hace mucho tiempo han dejado de ser un lujo para convertirse en una necesidad. Por otro lado, mientras m�s sofisticados los equipos, consumen m�s r�pido la carga de la bater�a del tel�fono; sea por el tama�o de la pantalla, las diferentes aplicaciones que se usen, los paquetes de datos y GPS. Es imperativo entonces, encontrar y aplicar fuentes de energ�a alternativa que reemplacen a las existentes. La presente investigaci�n estuvo orientada a una propuesta de cargador solar usando una matriz fotovoltaica para la carga el�ctrica de tel�fonos celulares en el �rea deportiva del Complejo Universitario, donde se realiz� una investigaci�n eficiente en el proceso de conversi�n de energ�a en los paneles fotovoltaicos. Los m�todos cient�ficos utilizados en el trabajo investigativo fueron: m�todos te�ricos tal como: an�lisis-s�ntesis, hist�rico-l�gico e inductivo-deductivo, el m�todo estad�stico-matem�tico, y las diferentes t�cnicas de investigaci�n tales como: la observaci�n directa, entrevista y encuesta. El an�lisis de los resultados, demostr� que el 100% de la poblaci�n, considera que es factible que se implemente un sistema el�ctrico para la carga de tel�fonos en el �rea deportiva del complejo Universitario lo cual ser� de mucho beneficio para los estudiantes, docentes y personal que labora en la instituci�n.

Palabras Clave: Matriz fotovoltaica; Energ�a solar; Conversores; Recursos econ�micos; Viabilidad econ�mica y financiera.

 

Abstract

At present there is a great demand for continuous electrical energy, which is what is required for the use of electronic devices that are used intensively in the daily life of the inhabitants of the State University of the South of Manab�, particularly for cell phones. or Smartphones, which for a long time have ceased to be a luxury to become a necessity. On the other hand, the more sophisticated the equipment, the faster the phone's battery charge is consumed; either by the size of the screen, the different applications that are used, the data packages and GPS. It is imperative then, to find and apply alternative energy sources to replace the existing ones. The present investigation was oriented to a proposal for a solar charger using a photovoltaic matrix for the electric charge of cell phones in the sports area of ​​the University Complex, where an efficient investigation was carried out in the energy conversion process in photovoltaic panels. The scientific methods used in the investigative work were: theoretical methods such as: analysis-synthesis, historical-logical and inductive-deductive, the statistical-mathematical method, and different research techniques such as: direct observation, interview and survey. The analysis of the results showed that 100% of the population considers that it is feasible to implement an electrical system for charging phones in the sports area of ​​the University complex, which will be of great benefit to students, teachers, and staff. who works in the institution.

Keywords: Photovoltaic array; Solar energy; Converters; Economic resources; Economic and financial viability.

 

Resumo

Atualmente, h� uma grande demanda por energia el�trica cont�nua, que � necess�ria para o uso de dispositivos eletr�nicos que s�o usados ​​intensivamente na vida cotidiana dos habitantes da Universidade Estadual do Sul de Manab�, principalmente para telefones celulares. Smartphones, que por muito tempo deixaram de ser um luxo para se tornar uma necessidade. Por outro lado, quanto mais sofisticado o equipamento, mais r�pido a carga da bateria do telefone � consumida; seja pelo tamanho da tela, pelos diferentes aplicativos que s�o utilizados, pelos pacotes de dados e GPS. � imperativo, ent�o, encontrar e aplicar fontes alternativas de energia para substituir as existentes. A presente investiga��o foi orientada a uma proposta de carregador solar utilizando matriz fotovoltaica para carregamento el�trico de celulares na �rea esportiva do Complexo Universit�rio, onde foi realizada uma investiga��o eficiente no processo de convers�o de energia em pain�is fotovoltaicos. Os m�todos cient�ficos utilizados no trabalho investigativo foram: m�todos te�ricos como: an�lise-s�ntese, hist�rico-l�gico e indutivo-dedutivo, o m�todo estat�stico-matem�tico, e diferentes t�cnicas de pesquisa como: observa��o direta, entrevista e levantamento. A an�lise dos resultados mostrou que 100% da popula��o considera que � vi�vel a implanta��o de um sistema el�trico para carregamento de telefones na �rea esportiva do complexo da Universidade, o que trar� grandes benef�cios para alunos, professores e funcion�rios. que trabalha na institui��o.

Palavras-chave: Matriz fotovoltaica; Energia solar; Conversores; Recursos econ�micos; Viabilidade econ�mica e financeira.

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Introducci�n

La energ�a solar es una de las opciones que se presentan al problema energ�tico que afronta nuestra sociedad, la dependencia del petr�leo y de otras tecnolog�as contaminantes, afectan las condiciones de vida en nuestro planeta. Por esto es necesario buscar soluciones pr�cticas y confortables que impulsen el cambio de mentalidad en las personas. La creaci�n de un cargador para los dispositivos m�viles mediante el uso de paneles solares permitir� recargar los equipos electr�nicos que son indispensables para el desarrollo de las actividades diarias, puesto que la comunicaci�n es muy importante, las aplicaciones como WhatsApp, Facebook, Twitter, entre otras, disminuyen la duraci�n de la bater�a, por lo tanto el este cargador solar facilitar� el acceso a una recarga ya que este posee bater�as que acumulan la energ�a solar, lo que permite contar con la energ�a suficiente para brindarle una carga completa y eficiente a sus dispositivos.

En este proyecto de tesis se presenta una propuesta de cargador solar usando una matriz fotovoltaica para la carga el�ctrica de tel�fonos celulares en el �rea deportiva del Complejo Universitario, donde se realiz� una investigaci�n en el proceso de conversi�n de energ�a en los paneles fotovoltaicos, una vez realizada la investigaci�n se procedi� a seleccionar el tipo de panel eficaz para la utilizaci�n de carga en los celulares, tambi�n se realiz� el c�lculo de energ�a el�ctrica producida por la matriz fotovoltaica la cual debe cumplir con los requerimientos necesarios para poder dar alimentaci�n correcta a los dispositivos electr�nicos.

 

Desarrollo

La importancia de las energ�as renovables

Las energ�as alternativas renovables son aquellas que, a diferencia de las convencionales, usan como fuente de generaci�n recursos que la naturaleza suministra de fuentes pr�cticamente inagotables en relaci�n al tiempo de vida del hombre en el planeta. Se producen de manera continua y tienen su origen en los procesos ambientales y atmosf�ricos naturales: el sol, el viento, el curso de agua, la descomposici�n de la materia org�nica, el movimiento de las olas en la superficie del mar y el calor interior de la tierra. Principalmente est�n clasificadas en: solar fotovoltaica, solar t�rmica, e�lica, geot�rmica, biomasa, mareomotriz, undimotriz, biomasita y de hidr�geno (Hern�ndez, 2006).

La producci�n de electricidad mediante fuentes alternativas es un punto fundamental en el desarrollo energ�tico sostenible mundial, ya que su uso puede asegurar el suministro de energ�a a mediano y largo plazo en condiciones medioambientales aceptables sin agotamiento de los recursos para generaciones futuras (Guti�rrez, 2002).

El efecto fotovoltaico fue descubierto por el f�sico franc�s Edmound Becquerel en 1839, al observar que ciertos materiales produc�an peque�as cantidades de corriente el�ctrica al exponerlos a la luz. Cincuenta a�os despu�s Willoughby Smith descubri� el efecto fotovoltaico en s�lidos y posteriormente W. Adams y R. Day produjeron la primera c�lula fotovoltaica de selenio; sin embargo, el fen�meno es explicado a principios del siglo XX por Albert Einstein, basando su concepto de fotoelectricidad en los trabajos previos formulados por Max Planck (Gonz�les, 2009)

 

Necesidad del estudio

La evoluci�n de la tecnolog�a en la sociedad a nivel mundial ha llevado a que hoy en d�a se manejen celulares de alta gama que ofrecen m�ltiples aplicaciones ligadas a internet; por lo tanto, se ven expuestos a la reducci�n de la carga en la bater�a del celular.

El problema presentado en el �rea del Complejo Universitario, radica en que es uno de los escenarios deportivos m�s concurridos por los estudiantes, funciona la carrea de tecnolog�as de la informaci�n y cuenta con canchas de uso m�ltiple donde se desarrollan actividades f�sica y culturales, �en este lugar deportivo son escasos los conectores de alimentaci�n el�ctrica que sirven como fuente de auxilio a estudiantes que realizan sus actividades acad�micas y que son oriundos de diferentes lugares del Ecuador, as� como aquellos que son de la localidad, el uso continuo de los dispositivos inteligentes electr�nicos, denominado tel�fonos celulares, Tablet entre otros, poseen una bater�a que con su consumo est�n propensa a desgastarse frecuentemente y es en ese momento que los estudiantes requieren de conectores para as� poder cargar y posponer el apagado del dispositivo electr�nico

 

Modelo de plan estrat�gico para generar energ�a el�ctrica a partir de la radiaci�n solar

Considerando el an�lisis t�cnico se detalla el sitio y lugares estrat�gicos para la implementaci�n del sistema fotovoltaico para la carga el�ctrica de tel�fonos celulares en el �rea deportiva del complejo Universitario de la Universidad Estatal del Sur de Manab�.

 

 

 

Figura # 1: Pron�stico Plano arquitect�nico del Complejo Universitario

Fuente: Elaborado por autora del proyecto.

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Figura #2: Plano arquitect�nico del �rea deportiva

Elaboraci�n: Castro Morales Kelly Dom�nica.

 

 

 

Figura # 3: Dise�o de lugares estrat�gicos para la implementaci�n del sistema fotovoltaico

Fuente: Elaborado por autora del proyecto.

 

 

Figura # 4: Medidas de longitud del �rea de implementaci�n del sistema fotovoltaico

Elaboraci�n: Castro Morales Kelly Dom�nica.

 

 

 

Figura # 5: Dise�o del sistema para la carga el�ctrica de tel�fonos celulares

Fuente: Elaborado por autora del proyecto.

 

Estudio de la demanda de carga el�ctrica en los tel�fonos celulares

Mediciones y c�lculos por la carga de tel�fonos celulares en las 3 faces, cargando, cargando con la bater�a llena y cargando sin el tel�fono conectado.

 

Tabla # 1: Demanda de carga y consumo

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fuente: Elaborado por autora del proyecto.

 

(*) Potencia media: los cargadores no mantienen la misma potencia durante todo el proceso de carga, sino que esta es mayor al principio (aproximadamente 5W) durante el proceso de carga r�pida, y va disminuyendo a medida que la bater�a se va cargando.

(**) Potencia orientativa: Aunque el medidor indica una potencia de 0 W, es necesario saber que no es capaz de detectar potencias inferiores a 0,5 W y, adem�s, puntualmente se detectan picos de potencia (normalmente de 1 o 2 W durante unos segundos) correspondientes al funcionamiento del tel�fono, como la llegada de una notificaci�n o una actualizaci�n en segundo plano, por lo que podemos considerar ese consumo medio con seguridad, aunque probablemente sea menor.

(***) En el caso del cargador solo, para que el medidor detecte una potencia de 0,5 W es necesario enchufar al menos cuatro cargadores en una regleta, por lo que es seguro asumir una potencia inferior a 0,2 W.

Mediciones y c�lculos por la carga de tel�fonos celulares en las 3 faces, cargando, cargando con la bater�a llena y cargando sin el tel�fono conectado

 

Tabla # 1: Demanda de carga y consumo

Fuente: Elaborado por autora del proyecto.

 

Para poder cumplir con el desarrollo de la propuesta, se consideraron ciertos datos t�cnicos el�ctricos de dise�o de cada uno de los elementos, dispositivos que conforman el sistema de cargador fotovoltaico. Adem�s, tambi�n se determinaron los costos de cada uno de los componentes del sistema, los cuales est�n definidos en el presupuesto, con el prop�sito de cumplir con la implementaci�n del sistema a futuro. El sistema de cargador fotovoltaico est� constituido por los siguientes componentes.

 

Paneles solares poli-cristalinos

Regulador de carga

Bater�a

Regulador de voltaje a 5v dc-dc 3a usb

El proyecto va a permitir utilizar energ�a renovable, es decir energ�a solar dentro de las �reas deportivas del Complejo Universitario, y podr� ser implementarlo despu�s en todas las �reas de la universidad.

El sistema fotovoltaico est� compuesto por un panel solar de 30W montado sobre una estructura metal met�lica en las �reas deportivas del complejo universitario, tendr� tambi�n una bater�a tipo FU de 33Ah 12V donde se almacena la energ�a solar captada del panel.

El regulador de carga de 10A est� interconectada a la bater�a, panel solar y a tres tomas de voltaje de 5V, la funci�n de regulador se encarga de carga y descarga de las bater�as y suministrar a las cargas instaladas a las tomas de voltaje USB, y adem�s cumple la funci�n de proteger debido a originarse alguna sobrecarga.

Presupuesto del sistema de cargador fotovoltaico.

Descripci�n	Cantidad (U)	Precio Unit. ($)	Total ($)
Paneles solares poli-cristalinos	1	50	50
Regulador de carga	1	80	80
Bater�a	1	134	134
Regulador de voltaje a 5v dc-dc 3a usb	3	15	15
Total ($)			309

Fuente: Elaborado por autora del proyecto.

Circuito preliminar de carga

Imagen 1 Circuito preliminar de carga

Fuente: Elaborado por autora del proyecto.

 

 

A la entrada de la celda solar se encuentra el SCR (160D), cuando se activa el panel solar, produce una corriente de encendido requerida por la compuerta, se encender� el SCR e iniciar� la acci�n de carga de la bater�a de NiCd, el diodo D1 se incluye para evitar una inversi�n de la corriente de compuerta. Cuando la carga se est� iniciando (la bater�a est� baja de carga) este voltaje es muy peque�o para acceder conducir al diodo Zener de 6,2 voltios. As� el diodo Zener se comporta como un circuito abierto, lo cual mantiene al transistor Q1 n estado de corte. El capacitor C, evita que efectos transitorios se puedan producir debido a la variaci�n de corriente entregada por el panel, que provocar�a una subida de voltaje inesperado en las bater�as. A medida que la carga continua, el voltaje de la bater�a crece hasta un punto donde el voltaje es lo suficientemente alto para encender el diodo Zener D2. Cuando el Diodo Zener conduce, entra en saturaci�n el transistor Q1 desactivando con una alta impedancia la compuerta SCR, idealmente la corriente colectora es de aproximadamente 19mA, pero si se admite una ca�da de voltaje en el diodo LED 1 esta ser� de 2V, entonces la corriente de colector ser� alrededor de 15mA. Una vez que el transistor Q1 se dispara, la bater�a del NiCd genera una corriente hacia el SCR, cuando esto suceda la bater�a de NiCd se encuentra totalmente cargado lo cual producir� una corriente m�s alta en el c�todo que el �nodo del SCR por lo cual el SCR dejara de conducir y detendr� la carga en la bater�a. Estando la bater�a del NiCd cargada, por medio de la resistencia R4 activa el transmisor Q2 generando una corriente por el emisor. Cuando la carga se est� iniciando en el celular, el voltaje es muy peque�o para hacer conducir al diodo Zener de 4,7 voltios. A medida que la carga continua, el voltaje de la bater�a crece hasta un punto donde el voltaje es lo suficientemente alto para encender al diodo Zener D4, el cual conduce hacia el transmisor Q3 y deja este en corte colocando el transmisor Q2 y el diodo LED 2 a tierra, el cual indica la carga de la bater�a del celular

 

Conclusiones

Se investig� la eficiencia de conversi�n de energ�a en paneles solares, dando como resultado un an�lisis pragm�tico para la estructuraci�n de la matriz fotovoltaica con relaci�n a la conversi�n de energ�a solar a energ�a el�ctrica mediante un sistema electr�nico, usando como software de dise�o a Crocodile y Proteus.

Se calcul� los paneles fotovoltaicos que cumplan con los requerimientos necesarios para alimentar de energ�a a los tel�fonos celulares y dispositivos electr�nicos m�viles que se acoplen a la estructura de alimentaci�n, para lo cual se realiz� el c�lculo de los paneles vs la cantidad de energ�a necesaria a utilizar para que sea alimentado sin ning�n tipo conflicto.

Se propuso un modelo de matriz fotovoltaica para el servicio de carga el�ctrica, la cual estar� estructurada en el �rea deportiva del Complejo Universitario, mediante las encuestas realizadas a los estudiantes, se pudo verificar la factibilidad de aplicar un centro de carga est�tica que use paneles monocristalinos, dando alimentaci�n a los dispositivos electr�nicos m�viles de los estudiantes y personal que visiten el �rea deportiva en el Complejo Universitario, mediante el proceso de conversi�n de energ�a solar a el�ctrica.

 

Referencias

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9.     Merino, M., Reyes, S., Rojas, L., Salgado, E., & Torres, E. (17 de Noviembre de 2017).

10.  Dise�o e implementaci�n de un m�dulo de carga para celulares por medio de paneles solares en la universidad de Piura. Obtenido de:

11.  https://pirhua.udep.edu.pe/: https://pirhua.udep.edu.pe/bitstream/handle/11042/3219/PYT_Informe_Final_Proyecto_US olar.pdf?sequence=1&isAllowed=y

12.  Moro Vallina, C. (2018). Radiaci�n Difusa. Electr�nica del d�a.

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� 2023 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).