SEP SES SNEST

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA

Protocolo de Investigación

“Cargador Solar para Teléfonos Celulares”

Mario Alberto Carrillo Pereira

Taller de Investigación I, Grupo 127900

Ingeniería Mecatrónica

Metepec, México, Diciembre de 2009

Antecedentes

Cargador solar para teléfonos celulares

La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma y en esa transformación

siempre hay una pérdida de energía. Esa pérdida de energía se le conoce como

entropía o medida del desorden.

Los sistemas fotovoltaicos convierten directamente parte de la energía de la luz solar

en electricidad. Las celdas fotovoltaicas se fabrican principalmente con silicio, el

segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, el mismo material

semiconductor usado en las computadoras. Cuando el silicio se contamina o dopa

con otros materiales de ciertas características, obtiene propiedades eléctricas únicas

en presencia de luz solar. Los electrones son excitados por la luz y se mueven a

través del silicio; este es conocido como el efecto fotovoltaico y produce una

corriente eléctrica directa. Las celdas fotovoltáicas no tienen partes móviles, son

virtualmente libres de mantenimiento y tienen una vida útil de entre 20 y 30 años.

Generalmente, la cantidad de poder que se genera con un panel solar es de 12

voltios, los cuales se pueden utilizar de manera independiente o como conjunto en

una red.

El número de celdas solares o el tamaño del panel solar lo determina la  cantidad de

luz disponible, y la energía requerida.

La cantidad de energía generada por una celda solar es determinada por la cantidad

de luz que cae directamente sobre ella, lo cual a su vez está determinado por el

clima y la hora del día.  En la mayoría de los casos resulta necesario almacenar la

energía generada, para así hacer mejor uso de las celdas solares.

Actualmente, la energía solar es útil para los teléfonos celulares, postes de luz,

semáforos, y autos, principalmente, puntualizó.

En diciembre del 2006 se estudio para realizar casacas de celulares cubiertas de

celdas fotovoltaicas y que se carga con la luz solar. El problema es que es aún un

prototipo de los japoneses y no se sabe si finalmente saldrá a la venta.

(“http://www.fayerwayer.com/2007/01/celular-solar/”).

El 6 de octubre del 2008 en realizo primer consorcio para el Desarrollo de Proyectos

y Equipo para el Aprovechamiento de la Energía Solar en México. El investigador de

la Universidad de Barcelona, España, Fausto Sanz, destacó que a partir del próximo

1 de enero de 2009 empiece a funcionar en el país la primera compañía en el tipo de

energía solar.

Explicó que el proyecto es único en México y que prevé el desarrollo de trabajos de

investigación e inversión en energía alternativa, además se trata de una de las líneas

de investigación en el campo de los recursos renovables más importantes a nivel

mundial.

No obstante, México es uno de los países privilegiados, por tener todo el año sol,

situación que se presta para el aprovechamiento de esta energía alternativa.

(“http://www.elfinanciero.com.mx/ElFinanciero/Portal/”).

El 13 de febrero del 2009 se dio a conocer un prototipo de celular con celdas solares

y se investigo que una celda solar expuesta por diez minutos sería suficiente para

realizar una llamada vía celular por tres minutos y tomaría entre cuatro a cinco horas

para recargarse completamente y se descarga dependiendo al uso cotidiano que le

demos. (“www.eluniversal.com.mx/articulos/52466.html”).

El 19 de marzo del 2009 se dio a conocer el estudio para realizar casacas con celdas

solares donde se puede conectar el celular para que se pueda recargarse. Tienen

acopladas varias celdas solares a la altura del cuello, de modo que estas pueden ser

cargadas mientras realizamos nuestras labores diarias.

(“http://solucionessolares.blogspot.com/”).

Definición del problema

El problema es que algunas veces las baterías de los celulares se descargan muy

rápido y se tienen que recargar con frecuencia y muchas veces no están en un lugar

donde lo puedan recargar.

Planteamiento del problema

La energía solar es una de las mayores fuentes de energía y se debe de aprovechar

al máximo, por esto mismo hay que aplicarla en la tecnología para ahorrar otro tipo

de energía que utilizamos diariamente que esta demasiado saturada y que todo el

mundo necesita disminuir el consumo.

Entonces porque no implementar una celda solar en un dispositivo que utilizamos

diariamente como es el teléfono celular.

Es un poco complicado utilizar las celdas solares por su rendimiento pero basado en

estudios recientes sobre este tema se ha llegado a una optimización de las mismas.

Por ello se implementarán estas celdas en un celular para el ahorro de energía y

tiempo ya que hoy en día es un medio de comunicación muy necesario en la

industria y en la vida cotidiana y será muy eficaz este mejoramiento.

El mejoramiento del rendimiento del celular afectaría de manera positiva ya que si se

descarga la batería podrías utilizar de manera alternativa la celda solar para

recargarlo si no se está en un lugar apropiado, se dejaría el celular recargándose en

la intemperie un lapso de tiempo.

Estudios realizados indican que dejando recargándose en un periodo aproximado de

diez minutos sería suficiente para realizar una llamada de tres minutos y tomaría

entre cuatro a cinco horas recargarse completamente pero hay que tomar en cuenta

que no se podría estar cargando todo el tiempo porque podría sufrir una sobrecarga.

Por eso sería necesario agregar un tipo de interruptor para activar y desactivar el

funcionamiento de la celda cuando sea conveniente

Se tomaría en cuenta también utilizar su otro medio de recarga que es por contacto

de pared si no es posible utilizar la celda ya sea por condiciones climáticas o no se

requiera.

El tipo de investigación será experimental y exploratoria.

Objetivos

Objetivo general:

Diseñar un cargador solar para teléfonos celulares para aumentar el tiempo de uso

usando alterativamente el cargador tradicional.

Objetivos específicos:

Estudiar el funcionamiento de un celular para recargar su batería.

Realizar un circuito con software que simulará el funcionamiento de la celda.

Analizar los resultados finales de las pruebas realizadas para llegar a conclusiones.

Diseñar prototipo con software de dibujo para saber su probable apariencia final.

Obtener el material requerido para elaborar el prototipo.

Realizar el circuito simulado de manera real para realizar pruebas.

Realizar pruebas con el circuito hecho para observar su comportamiento.

Estudiar el funcionamiento total del celular implementando la celda.

Realizar experimentalmente un prototipo con los datos obtenidos observando su

funcionamiento.

Escribir el resultado en documentos o notas para dar a conocer los resultados.

Documentar o realizar una presentación del resultado final del prototipo.

Justificación

La energía solar podría suministrar mucha de la energía del planeta y ayudar a

eliminar la dependencia de los combustibles fósiles, causantes del calentamiento

global, si fueran más eficientes y se desarrollaran a un costo accesible para todos los

consumidores.

Muchos utilizamos baterías recargables en lugar de pilas comunes por una cuestión

de ahorro.

A pesar de que el costo inicial puede ser un poco más alto, las baterías recargables

tienen la ventaja de poder recargarse cientos de veces, lo que en definitiva las hace

muchísimo más económicas que las pilas tradicionales.

No obstante estas baterías recargables siguen teniendo una desventaja, deben ser

recargadas.

Esto implica el uso de una fuente de energía eléctrica, cuyo origen posiblemente

haya sido una central que quema algún combustible fósil para funcionar. Y ya no

parece una alternativa tan ecológica, en lugar de utilizar un cargador común, se

pueden recargar las baterías con celdas solares.

Seguramente hay decenas de cargadores solares en el mercado, pero se diseñaron

baterías incluyendo las celdas solares en el mismo cuerpo de las baterías, lo que

hace innecesario el uso de cargadores.

Se aplicaría de igual forma a los celulares montado las celdas en la cubierta del

móvil, aunque podría ser su costo un poco más caro en un principio pero ayudaría

mucho al mundo de una manera positiva para desarrollar mejoras en los mismos o

en otro tipo tecnología.

A la vez ayudará al tiempo de recarga si se requiere en una emergencia y a disminuir

el consumo de energía eléctrica, ya que hoy en día un celular es la manera más

utilizada para comunicarse en todo el mundo y con esto ya no se tendría que

preocupar más por la batería del celular.

Hipótesis

Dado el estudio de la eficiencia de las celdas solares, es posible diseñar un cargador

de baterías de un celular aumentado el tiempo de uso del móvil sin afectar su

funcionamiento tanto de la celda como el del celular, trabajando de manera

alternativa con el cargador tradicional.

Fundamentación teórica

Se considera una celda solar que genere un voltaje de 3.6 volts, ya que la mayoría

de los celulares tienen una pila de 3.6 volts, pero no siempre menciona la corriente,

ese dato se podría sacar de la ficha técnica del celular.

Obtendremos el dato de cuanto voltaje genera la celda solar para saber cuantas

fotoceldas se tienen que conectar en serie hasta que te de un voltaje igual al de la

pila, por otra parte obtendremos la cantidad corriente necesaria para hacer funcionar

el celular, la especificación de la pila de 3.6 volts dice que tiene una carga eléctrica

de 860 mAh esto es miliamperio hora.

Se tiene una celda solar de 3.6 volts con 150 mA de corriente, se puede llegar a 800

mA conectando ocho celdas en paralelo y esto no afectaría su voltaje solo afectaría

si se conectan en serie pero no aumentaría la corriente, en este caso como ya

tenemos una celda de 3.6 volts se podrían conectar mas en paralelo para disminuir el

tiempo de carga pero esto afectaría porque la extensión de las celdas ocuparían

mucho espacio y no se podrían incorporar al celular.

Por eso se utilizara solo una celda solar aunque el tiempo de carga sea de más

tiempo que con el cargador común, la cuestión es utilizar otro medio de recarga que

se podría llamar de emergencia. Para saber el tiempo total de la recarga de la batería

se puede calcular utilizando la formula siguiente:

Tiempo de carga = La carga de la batería (1.4) / La corriente del cargador (celda

solar)

Donde la carga de la batería son los 860 mAh, 1.4 es la constante de pérdidas de

carga y la corriente del cargador con los 150 mA de la celda solar.

Haciendo los cálculos se obtiene 8.02, tarda 8 horas y se multiplica 0.02 por 60 para

saber los minutos y el tiempo total de carga seria de ocho horas con un minuto. Se

podría investigar con ayuda de un experto en celdas solares, si hay una celda en el

mercado con una dimensión menor y mayor corriente para aumentar su eficiencia y

disminuir el tiempo de carga.

Se tendría que recargar el celular a la luz del sol para que tenga una mayor

eficiencia, pero la celda solar también es sensible a la luz eléctrica pero tardaría un

poco más en recargarse.

Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de módulos individuales,

con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al número de módulos

conectados en serie y en paralelo. (“http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html”)

La empresa californiana “Sunpower Systems” ha unido una batería de teléfono móvil

de litio con un conjunto de células solares que se adaptan a la batería. En un día de

mucho sol, una carga de 15 minutos podría soportar cerca de un minuto de

conversación. En cinco horas puede cargar completamente una batería, según

palabras del presidente de “Sunpower”, Henry Adams: “Puedes cargar tu batería en

el coche, en el campo o en la playa para que siempre esté preparado si necesitas

hacer una llamada de emergencia”. (“http://www.sumovil.com/rep_1105.asp”)

Cabe mencionar que las celdas solares tienen una vida útil de aproximadamente

treinta años, muchísimo más de lo que podría durar el celular mismo.

Metodología

Las actividades para realizar la investigación se presentan a continuación.

I. Obtención de datos de los elementos a usar

Se estudiará detalladamente el celular seleccionado en el que se va implementar la

celda solar, es conveniente un tipo de celular con una batería de 3.6 volts, pero de

bajo costo en un principio porque solo va a ser el prototipo. Así como el rendimiento

de la celda solar como el voltaje y corriente que genera.

II. Simulación en software de circuitos

Mediante un software de simulación de circuitos, se realizara un circuito con las

especificaciones ya obtenidas del celular para probar de manera teórica su correcto

funcionamiento, se conectaran las celdas solares en serie y paralelo para poder

observar cuán eficiente es cada uno y ver sus diferencias, implementando también

en el circuito un elemento aparte que simule la pantalla del celular como un motor

para observar su funcionamiento llegando a las conclusiones necesarias para

desarrollar en prototipo.

Se implementará también un interruptor para poder activar o desactivar el

funcionamiento de la recarga por celda y activando o desactivando la recarga por

contacto de pared, todo esto se realizará de manera previa con el software de

circuitos.

III. Obtención de resultados y conclusiones

Ya hecho el circuito en el software se estudiaran los resultados obtenidos,

averiguando si se puede mejorar dependiendo en la manera en que se conecten las

celdas comúnmente las baterías de los celulares son de 3.6 ó 3.7 volts, las celda

solar requerida seria una que genere 3.6 volts pero se podrían conectarse dos o más

celdas en serie para generar este voltaje o paralelo para aumentar la corriente.

Con esto se sabrá si su funcionamiento es eficiente y se llegará a una o más

conclusiones.

IV. Diseño del prototipo con software de dibujo

También en necesario apoyarse en un software de dibujo como un programa CAD o

SOLIDWORKS para tener un diseño aproximado del celular ya terminado. Esto es

muy requerido ya que si por alguna razón se necesite cambiar el diseño se haga por

medio de algún programa y no tener que repetir el prototipo por alguna falla.

V. Obtener material requerido para el prototipo

Ya hecho estos cálculos en el software, se conseguirá el material requerido para la

realización del prototipo, primero que nada es necesario lo fundamental que es el

celular y la celda solar.

VI. Realizar circuito simulado

Se conectarán la celda y la batería como se indico en la simulación para saber si su

funcionamiento corresponde con el software.

VII. Realizar pruebas

Se harán pruebas para saber su funcionamiento y se someterá a diferentes tipos de

ambientes para saber la cantidad de tiempo que tarda en recargarse la batería que

obviamente el funcionamiento de la celda es más eficiente en un clima soleado y

despejado.

VIII. Funcionamiento final implementado al celular

Estudiar la duración de la batería utilizando todos los componentes del celular como

cámara fotográfica si cuenta con ella y su funcionamiento si esta activada mientras

este en uso el celular si la batería esta casi descargada.

IX. Se completará el prototipo

Realizadas estas pruebas se completara el prototipo en su totalidad con las

características diseñadas anteriormente.

X. Escribir resultado en documentos o notas

Con todas las pruebas realizadas y el prototipo completado se escribirá el resultado

en documentos o notas donde se indicará cómo funciona el prototipo.

XI. Documentar resultado final del prototipo

Realizar conferencia o exposición mostrando el resultado final del proyecto para su

crítica constructiva., explicando de manera clara y precisa como se llego al resultado.

Temario tentativo de la investigación

1. Titulo del proyecto

2. Objetivo del proyecto

3. Resumen

4. Dedicatorias

5. Índice

6. Antecedentes

7. Características del prototipo

a. Materiales

8. Análisis teórico y practico

9. Simulación con software

10.Estudio de los resultados

11.Modelo del prototipo en software de dibujo

12.Construcción del prototipo

13.Pruebas del prototipo

14.Aplicación y resultados

15.Costos

16.Conferencia

a. Discusión de posible difusión

b. Propuestas

17.Recomendaciones de uso

18.Referencias

19.Apéndice

Cronograma de actividades

Recursos humanos

ACTIVIDAD AGO SEP OCT NOV DIC ENE FEB MAR

Obtención de datos de los elementos a usarSimulación en software de circuitosObtención de resultados o conclusionesDiseño gráfico del prototipo con software de dibujoObtener material requerido para el prototipoRealizar circuito simulado

Realizar pruebas

Funcionamiento final implementado al celularSe completará el prototipo

Escribir resultado en documentos o notasDocumentar resultado final del prototipo

El investigador laborara en todo el proceso de investigación, no se necesitara la

colaboración de algún recurso humano.

Recursos materiales

Mesa de trabajo de 1m x 2m con contactos de 120v.

Fuente generadora de voltaje de 0 a 10 volts y 10 Amperes.

Multímetro equipado con voltímetro y conductividad marca fluke.

Cable de circuitos para realizar las conexiones debidas.

Desarmador plano de 1.4mm.

Desarmador phillips de No. 0.0.

Computadora Toshiba con sistema operativo Windows vista, procesador Intel Core

Duo, 1Gb de RAM y 120Gb de disco duro.

Celular o teléfono móvil nokia, equipado con cámara digital y batería de 3.6 volts.

Celda solar de 3.6 volts.

Cautín marca truper de lápiz.

Soldadura de estaño.

Interruptor de dos pasos.

Materiales adhesivos.

Recursos financieros

Gasto corriente

Concepto Monto presupuestado

Pago de servicios externos especializados a terceros $ 1700Materiales de consumo de uso directo (seres vivos, energéticos, combustibles)

$ 500

Operación y mantenimiento de laboratorios y plantas piloto $ 350Diseño y prototipos de prueba $ 1000Herramientas y dispositivos para pruebas experimentales $ 700Acervos bibliográficos, documentales, servicio de información científica y tecnológica

$ 400

Software especializado $ 1500Registro de patentes $ 10000Actividades, publicaciones y materiales (divulgación y difusión) $ 5000Tesis $ 1860Otros $ 1000

Total gasto corriente $ 24010

Gasto inversión

Equipo $ 8000Total gasto inversión $ 8000

Total gasto corriente + gasto inversión: $ 32010

Acciones de difusión previstas

Se llevara a cabo la impresión de una tesis con la explicación del proyecto, una

presentación o conferencia explicando el proyecto en la institución donde de llevo a

cabo, conferencias en medios relacionados con nuevas tecnologías en diferentes

instituciones como el congreso internacional de mecatrónica, publicación en

periódicos y en revistas tecnológicas, ponerse en contacto con alguna televisora para

dar a conocer el proyecto.

Fuentes de consulta

[1] El mañana, “Eficientan celdas solares”, Ed. Argos S.A. de C.V., 2009.

[2] J. Franchín, “Plásticos Capaces de Convertir Luz en Electricidad”, Selected

Science News, Sept. 2009.

[3] http://www.neoteo.com/baterias-recargables-con-celdas-solares-diy-14867.neo

210809, 15:07.

[4] http://www.amazings.com/ciencia/noticias/150709b.html, 220909, 13:12.

[5] http://www.sumovil.com/rep_1106.asp, 220909, 19:50.

[6] http://www.biodisol.com/medio-ambiente/lg-presento-un-telefono-movil-que-

puede-recargar-su-bateria-con-un-panel-solar-que-tiene-en-su-tapa-energias-

limpias-energia-solar-investigacion-e-innovacion/, 171009, 20:21.

[7] http://www.celdassolaresflexibles.com/index_files/OEM_Components/

Instructions_OEM.php, 081109, 18:32.

[8] http://www.muyinteresante.es/index.php/tecno/24-tecno/8007-energia-solar-

portatil, 091109, 13:15.

[9] http://www.itlalaguna.edu.mx/Academico/Carreras/electronica/opteca/

OPTOPDF4_archivos/UNIDAD4TEMA2.PDF, 161109, 23:40.

[10] http://solar.nmsu.edu/wp_guide/energia.html, 161109, 23:55.