DISEÑO DE LAMPARA ECOLÓGICA

DISEÑO DE LÁMPARA ECOLÓGICA

Filemón Carreño Reyna, Ingeniero Industrial

filemoncr_77@hotmail.com

Oliver de Jesús Lara Hernández, Alumno de la Carrera de Ingeniería Industrial

oliver_jlh@live.com.mx

Ana Cristina Pérez González, Maestra en Ciencia Ambientales, gonper13@hotmail.com

Amparo Rossana Gámez Espindola, Maestra en Ingeniería Industrial

maya.kira@hotmail.com

Instituto Tecnológico Superior de la Sierra Negra de Ajalpan

DISEÑO DE LAMPARA ECOLÓGICA

Resumen

En el Instituto Tecnológico Superior de la Sierra Negra de Ajalpan se realizó una investigación que consistió en diseñar y ensamblar una lámpara alimentada por celdas solares para su funcionamiento, fue necesario realizar una encuesta a una población de 35 personas en el municipio de Calipan, Puebla, con la finalidad de conocer su opinión  respecto al uso de dispositivos ecológicos, dando como resultado que el 65% están a favor de utilizar productos alternos para el ahorro de energía eléctrica. La construcción de la lámpara inicio soldando celdas y luces led a la base, posteriormente se colocó una resistencia de 100 Ohm, se añadió la batería, un diodo y los interruptores, cuidando que el diseño fuera novedoso. El costo que tendrá esta lámpara al público es de $150.00, sin embargo, la inversión se verá recuperada a largo plazo, pues, reduce el 5% del gasto en energía convencional y se contribuye al cuidado del medio ambiente.

Palabras Clave

Desarrollo sustentable, energía limpia, luz led, celdas solares.

Abstract

In Instituto Tecnologico Superior de la Sierra Negra de Ajalpan, a research was carried out, it consisted in designing and assembling a lamp powered by solar cells for its operation, contributing to sustainable development, for this it was necessary to carry out a survey to 35 people in the municipality of Calipan, Puebla, to know the opinion of the citizens about the use of ecological devices, the result was that 65% are in favor of using alternative products to save electricity. For the construction of the lamp it was necessary to weld the cells and led lights to the base, place a 100 Ohm resistance, add a battery, a diode and the switches, taking care that the design was creative. The cost of this lamp to the public is $150.00, however, the investment will be recovered in the long term because it reduces 3% the expenses on electricity.

Keywords

Sustainable development, clean energy, led light, solar cells.

I. Introducción

La iniciativa del hombre de desarrollar sistemas de energía autónomos nace de la necesidad de suministrar energía en sitios a los cuales llevar un tendido de red eléctrica convencional resultaría costoso, posteriormente se direcciona a disminuir el consumo de energía eléctrica y en apoyo a la contribución para  detener los impactos ambientales que generan la utilización de combustibles fósiles como petróleo, carbón y gas natural.

Los tipos de energía utilizados para sistemas autónomos son la energía solar, eólica, geotérmica y de biomasa; que entran en la categoría de energías alternativas, las cuales se caracterizan por ser renovables y poco contaminantes.

La energía solar es la que se obtiene de la radiación solar y es utilizada en dos tipos de sistemas; los fotovoltaicos y los térmicos. Los sistemas fotovoltaicos, transforman la energía suministrada por la radiación solar en energía eléctrica; entre sus principales áreas de aplicaciones se tiene iluminación, comunicaciones, monitoreo, control de proceso, bombeo de agua y protección catódica. Los sistemas térmicos, producen energía térmica (calor) a partir de la radicación solar; las principales usos de estos sistemas es el calentamiento de agua sanitaria y la calefacción (Rivas, 2005).

La energía eólica, es obtenida del paso de corrientes de aire terrestre a través de molinos, se deriva de la energía solar ya que el viento se origina por una diferencia de presión, causad a su vez por una diferencia de temperatura entre las masas de aire, la cual es provocada por la absorción de energía solar; entre sus aplicaciones están la generación de energía eléctrica y el bombeo de agua (Rivas, 2005).

La energía geotérmica es la que se obtiene del calor producido entre las capas terrestres, específicamente entre la corteza y el manto, debido a la desintegración de elementos radiactivos. Dependiendo de la cantidad de calor producida, en algunos casos ésta energía llega a manifestarse en la superficie como agua caliente o vapor de agua., los cuales son utilizados como fuente de energía (Rivas, 2005).

La energía de biomasa se obtiene de recursos biológicos, tales como madera, estiércol, desechos orgánicos, residuos agrícolas, entre otros (Rivas, 2005).

Celdas solares

Un panel solar es un aparato que aprovecha la energía del sol. Existen dos tipos de paneles solares: los colectores solares que se utilizan para calentar agua y los paneles fotovoltaicos que se utilizan para generar electricidad. El efecto fotovoltaico se produce cuando la energía lumínica produce cargas positiva y negativa en dos semiconductores próximos, generando un campo eléctrico capaz de generar una corriente. El efecto fotovoltaico fue descubierto por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel, en 1839. Encuentra que algunos materiales producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica al ser expuestos a la luz. Años después, Albert Einstein describe la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico, en el cual se basa la energía fotovoltaica; con éste trabajo gana el Premio Noble de Física en 1921. La primera celda fotovoltaica fue construida en 1954 por los Laboratorios Bell, era una batería solar con un costo muy alto. En la década de los 60´s la industria espacial comenzó a utilizar ésta tecnología para proporcionar electricidad a las naves espaciales, de ésta manera empezaron a mejorarse las celdas y a bajar costos. Los paneles están construidos con varias celdas solares conectadas eléctricamente unas con otras montadas en una estructura de apoyo, llamado módulo fotovoltaico. Los módulos están diseñados para generar un determinado voltaje (por ejemplo las baterías solares de las calculadoras). La corriente producida depende de la cantidad de luz que reciba el módulo. Las celdas se fabrican con semiconductores, que actúan como aislantes a bajas temperaturas, pero también pueden ser conductores cuando son expuestos al calor o a la energía lumínica. El primer semiconductor utilizado fue el silicio amorfo, elemento más abundante en la corteza terrestre. Actualmente las celdas están construidas con arseniuro de Galio y de seleniuro de indio con cobre, además del silicio y su eficiencia ha aumentado en los últimos años hasta el 40%. Actualmente se fabrican semiconductores con nanotecnología; estos avances permiten bajar costos de fabricación. A partir de finales de la década de los 90´s, se comenzó a dar otro tipo de aplicación a la energía fotovoltaica: el uso de sistemas fotovoltaicos conectados a red. En estos sistemas se conectan en paralelo a la red y su característica principal es que el usuario genera la energía que consume. Países como Japón, Alemania, España y EUA tienen programas de incentivos y promoción del uso de sistemas fotovoltaicos. Existen subsidios para la compra e instalación de sistemas fotovoltaicos, tarifas preferenciales para la electricidad que se aporta a la red (la electricidad que el usuario vierte a la red es descontada de la energía que el usuario utiliza). De esta manera se ha fomentado la creación de empleos, cuidado del medio ambiente y desarrollo tecnológico. En México el Centro de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional construyó en los 80´s una planta piloto para fabricas celdas de Silicio con capacidad de producción de 15 kW por año. Actualmente en México existen varias maquiladoras de celdas fotovoltaicas, la gran mayoría para exportación. En nuestro país se utilizan sistemas autónomos en comunidades rurales apartadas, en estaciones de telecomunicaciones, telesecundarias y clínicas rurales, en sistemas agropecuarios y en plataformas petroleras deshabitadas (Ortiz, Segura y Velázquez, 2015).

Aprovechamiento del sol

El sol es una estrella más cercana a la Tierra, aunque se encuentra a 149 450 000 Km de distancia y pesa 333 veces más. En su núcleo la temperatura es de 15 000 000 °C y en la superficie es de 5770 °C. En su interior se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear, donde átomos pequeños se unen para formar átomos más pesados liberando grandes cantidades de energía; la energía que emite el sol es nuclear. El sol está compuesto de 73.46% de hidrógeno, 24.85% de helio y el resto de elementos más pesados. Un rayo del sol tarda aproximadamente 8 minutos en llegar a la tierra. El 90% de la radiación solar es de rayos infrarrojos y luz visible. La cantidad de energía que llega del sol a la tierra se mide en watt-hora y la potencia de dicha radiación en watts. Para saber que tanta energía es aprovechable se mide la cantidad de energía por unidad de tiempo y por unidad de área que llega perpendicularmente a la superficie terrestre y se llama irradiancia, intensidad de la radiación, soleamiento o insolación y se mide en watts/m2. Debido a los movimientos de traslación y rotación de la tierra, la cantidad de energía solar no es constante. En el solsticio de invierno, el 21 de diciembre, los rayos solares llegan al hemisferio Norte en menos tiempo, mientras que en el hemisferio sur es al contrario. En el equinoccio de primavera, 21 de marzo, y en el equinoccio de otoño, 23 de septiembre, la cantidad de rayos solares llega por igual al hemisferio norte que al sur. En el solsticio de verano, 22 de junio, los rayos solares llegan en mayor cantidad al hemisferio norte que al sur, como en México. Esto es importante para planear la instalación de dispositivos fotovoltaicos ya que la cantidad de radiación no es igual en todo el planeta, cambia con las estaciones del año, las condiciones atmosféricas y la altitud de cada lugar. Se tienen mediciones de la cantidad de energía promedio que reciben los 32 estados de la República Mexicana. Debido a que no se dispone de la luz solar las 24 horas del día, se han desarrollado dispositivos de almacenamiento de energía para poderla utilizar cuando se necesite. México es un país con alta incidencia solar en la mayoría de su territorio. El 50% del país presenta una insolación promedio de 5.3 kWh/m2, suficiente para satisfacer las necesidades de un hogar mexicano promedio. En la zona norte del territorio nacional la radiación solar es mayor que en sur o en zonas es húmedas por lo que necesario escoger adecuadamente el lugar donde se podrían instalar plantas con tecnología fotovoltaica para abastecer el país. El estado de Sonora recibe una insolación mayor a los 6 KWh/m2/día en promedio, por lo que se convierte en uno de los estados con mayor potencial para generar electricidad con paneles solares. También rebasa valores de insolación de países que utilizan los sistemas fotovoltaicos como Sevilla, España o Leipzig, Alemania (una de las plantas más importantes en el mundo) que sólo reciben 4.7 KWh/m2 y 2.7 KWh/m2 respectivamente al día. Además la cantidad de horas de insolación en Alemania es de 4 horas diarias mientras que en Sonora es de7 u 8 horas. Con aproximadamente el 0.5 % de la superficie del territorio de Sonora se podría generar todo consumo eléctrico del país (Ortiz, Segura y Velázquez, 2015).

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