el panel solar que gira con el sol

Cómo motivar a los estudiantes mediante actividades científicas atractivas
EL GIRASOL: EL PANEL SOLAR QUE
GIRA CON EL SOL
Esther Álvarez Aparicio
I. E. S. M. SANCHIS GUARNER
Silla
Introducción:
El sol es una fuente de energía inagotable. Los rayos solares inciden perpendicularmente
sobre las células solares de un panel solar y producen un efecto fotoeléctrico. Es decir que
el silicio, principal componente de los paneles solares, emite electrones al incidir sobre él la
luz, y la circulación de estas cargas eléctricas crea una corriente eléctrica continua.
Dejar estático un panel solar significa desperdiciar la potencia que el sol nos entrega cada
día. Para mejorar el rendimiento de los paneles solares fotovoltaicos suelen colocarse sobre
un elemento que se orienta con el sol siguiendo su trayectoria, desde el amanecer al
anochecer, con el fin de que los rayos siempre incidan perpendicularmente al panel y
obtener así mayor rendimiento.
Objetivos:
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Diseñar y construir la maqueta de un panel solar que se oriente según el movimiento
del sol.
Identificar los componentes necesarios para montar un circuito electrónico que
cumpla una determinada función.
Conocer el papel que desempeñan los diferentes componentes de un circuito
electrónico: resistencias fijas, LDR, potenciómetro, condensador, transistor, LED,
relé.
Diseñar circuitos eléctricos y electrónicos con el software apropiado
Saber utilizar el soldador de estaño.
Solucionar problemas en el diseño y construcción de sistemas mecánicos con
movimiento.
Comprender y analizar el funcionamiento de operadores y sistemas mecánicos
sencillos: motor con reductora y tronillo sinfín-corona.
Saber realizar cálculos de velocidades de engranajes.
Reconocer la importancia de los sistemas electrónicos en nuestra sociedad.
Sensibilizarse hacia el uso de energías alternativas para generar electricidad.
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Relación del tema propuesto con el currículo del Curso:
Está relacionado con el tema de electrónica analógica de la asignatura de Tecnología de 4º
de ESO.
Material y recursos necesarios:
Materiales
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Placa de circuito impreso perforada.
Relé 6V, 1 circuito
Transistor BD135
LDR
Resistencia fija de 100 ohms 1/2 w = marrón, negro, marrón
Resistencia fija de 470 ohms 1/4 w = amarillo, violeta, marrón
Potenciómetro 10 KΩ
Led de 5 mm
Motor reductor 1,5-6 V (microlog LOG 15)
Eje varilla roscada de Ø =4mm de 150mm
Tornillo sinfín de latón: carrera 12 mm, diámetro 10 mm (LOG 245)
Rueda dentada de 28 dientes para eje de 4 mm (LOG 68)
Conmutador doble de tres posiciones (LOG 536)
Perfil de aluminio LOG 290: 250x15x1,5 mm
Placa solar de 1 célula FV 0,5 V (LOG 1911)
Cablecillo flexible (LOG 564)
2 Pinzas de cocodrilo
Pila de 4,5 V
Regletas de conexión
Tornillos rosca chapa de métrica 4 mm y dos palomillas
Listón de madera de pino 20x10x660
Listón de madera de pino 30x10x660
Un tablero de contrachapado de 3 mm de 297x210 (A4)
2 tableros de contrachapado de 10 mm (A4)
Tuercas y arandelas de métrica 4 mm
Hilo de estaño
Cola blanca
Herramientas
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Sierra de vaivén
Sierra de arco
Escofina
Lima
Papel de lija
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Taladro vertical
Soldador de estaño
Tijeras
Normas de seguridad:
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Manejar las herramientas y máquinas siguiendo las normas de seguridad propias de
cada una.
Deben utilizarse gafas protectoras y guantes cuando se corta metal o madera.
Tener mucho cuidado con no quemarse con el soldador de estaño.
Procedimiento:
En primer lugar al alumno se le plantea la propuesta de trabajo y las condiciones que ha de
cumplir el objeto que se ha de construir.
Condiciones de la propuesta:
1. Se construirá un circuito electrónico detector de luminosidad en una placa para
circuito impreso.
2. Se construirá un sistema electromecánico regulado por el circuito electrónico,
para hacer girar el panel solar.
3. La estructura que soporta la placa solar se construirá con contrachapado.
Antes de empezar a construir la maqueta, el alumno buscará en Internet posibles soluciones
para su proyecto. De las soluciones encontradas tomará las ideas que le sean útiles.
Seguidamente se le mostrará una foto del proyecto que se pretende que construya.
El objeto construido será algo semejante a:
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Después, el alumno montará el circuito electrónico detector de luminosidad que diseñó en
el programa de simulación de circuitos “Crocodile”. Para ello utilizará una placa de circuito
impreso ya perforada sobre la que soldará los operadores electrónicos que se citan en el
apartado de materiales.
Una vez soldados todos los componentes comprobará que el circuito funciona tapando el
LDR y observando que el Led se enciende.
El circuito es el siguiente:
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Funcionamiento del circuito
La resistencia fotoeléctrica es una resistencia variable con la luz, es decir su valor depende
de la luz que incide sobre ella.
En presencia de un alto nivel de luminosidad, la LDR posee un nivel de resistencia bajo,
por el contrario, por la noche o en condiciones deficientes de luminosidad, su resistencia
aumenta.
En condiciones de luminosidad baja, la resistencia de la LDR aumenta, y la tensión que hay
entre los terminales de la resistencia LDR, así como entre la base y el emisor del transistor,
aumenta. Llega un momento en que la tensión entre la base y el emisor del transistor,
alcanza los 0,7 V y circula una pequeña intensidad por la base, el transistor se satura, pasa a
comportarse como un interruptor cerrado, la bobina del relé se activa provocando así, el
cambio de posición de sus contactos, permitiendo la salida de tensión que utilizaremos para
encender el Led, (y/o poner en marcha un motor).
Por el contrario, cuando existe un nivel de luminosidad alto, la LDR presenta una baja
resistencia, y por tanto la tensión que hay entre los terminales de la resistencia también será
muy baja; casi la totalidad del voltaje de la pila estará aplicado al potenciómetro. Entre la
base y el emisor del transistor habrá muy poca tensión, y prácticamente no circulará
intensidad por la base. El transistor estará en corte. En estas circunstancias, el transistor no
conduce y como consecuencia al relé no le llegará corriente y lógicamente, el campo
magnético de la bobina desaparece y como consecuencia los contactos del relé volverán a
posición anterior. Ahora, la salida de tensión es nula y el Led se apagará.
La función del potenciómetro de 10 KΩ es fijar el nivel de luminosidad al que queremos
que se encienda el Led.
Seguidamente utilizando un conmutador doble, un motor y dos finales de carrera tendrá que
diseñar el circuito que hace mover la placa solar y que se pone en marcha al ser activado el
relé. Para ello se recordará el circuito que montaron para la puerta de garaje que
construyeron el año pasado:
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Acoplando los dos circuitos anteriores, el alumno llegará a diseñar el siguiente circuito que
hará funcionar la maqueta del girasol.
Posteriormente, basándose en los conocimientos adquiridos en 3º ESO sobre mecanismos,
el alumno deberá elegir el mecanismo que permita transmitir el movimiento del motor a la
base giratoria que soporta la placa solar.
Para ello se proyectará la siguiente imagen y se le plantearan distintas cuestiones que lleven
al alumno a justificar el que se utilice el sistema de transmisión tornillo sinfín-corona y a
calcular la velocidad de giro de la placa solar en revoluciones por minuto.
En la diapositiva se observa: En el tren de engranajes formado por tres engranajes, si el
motriz gira en el sentido de las agujas del reloj, el que engrana con él gira al contrario
y el tercero girará en el mismo sentido que el primero. Existe una transmisión de
movimiento circular en circular en el mismo plano (entre ejes paralelos) aunque en
sentido opuesto.
En el tren de engranajes de colores también existe una transmisión de movimiento
entre ejes paralelos y se observa que los engranajes que comparten el mismo eje giran
en el mismo sentido, y también lo hacen a la misma velocidad. Cada par de engranajes
que comparten eje gira en sentido contrario con que el que engrana.
En el caso del tornillo-sinfín corona, también se observa que el movimiento circular
del engranaje se transmite al tornillo sinfín que se mueve con un movimiento circular
en un plano perpendicular al del engranaje.
En del piñón-cremallera se observa que existe transformación de movimiento circular
en lineal.
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Cuestiones:
1. Clasifica los mecanismos en dos grupos según tenga lugar solamente
transmisión de movimiento o también transformación de movimiento. Dentro
del grupo en el que hay sólo transmisión de movimiento destaca si esa
transmisión se realiza entre ejes paralelos o ejes perpendiculares.
2. Observa el tren de engranajes formado por tres engranajes. Sabiendo que el
primer engranaje gira a 30 rpm y que tiene 15 dientes ¿A qué velocidad girará
el engranaje del medio sabiendo que tiene 10 dientes? ¿Y cual será la velocidad
de salida de todo el sistema, sabiendo que el tercer engranaje tiene 20 dientes?
¿Es un mecanismo multiplicador o reductor?
3. Observa el tren de engranajes compuesto. Calcula la velocidad de giro en r.p.m.
del engranaje rosa sabiendo que: el engranaje rojo gira a 36 r.p.m. y tiene 19
dientes, el engranaje azul oscuro tiene 57 dientes, el verde 19 dientes, el azul
clarito 54 dientes, el naranja 16 dientes y el rosa 60 dientes.
4. Observa el mecanismo tornillo-sinfín corona. ¿Cuantas vueltas da el tornillo
sinfín cuando la rueda da una vuelta completa? Si el tornillo sinfín es el motriz,
¿el sistema es multiplicador o reductor?
5. Observa el mecanismo piñón cremallera. Sabiendo que la cremallera tiene 8
dientes por centímetro, calcula en cm/min. la velocidad de la cremallera. El
engranaje motriz gira a 20 rpm y tiene 8 dientes.
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Una vez se ha diseñando el objeto y se tiene montada la placa de circuito impreso se
procede a la construcción de la estructura de madera, y al montaje del sistema
electromecánico. Para ello se pueden seguir los siguientes pasos:
1. Se cortan las piezas de madera que corresponden a la estructura que soporta la placa
solar y se pegan.
2. Se cortan y se pegan los listones que servirán de soporte al marco que soporta la
placa solar. Este soporte se une mediante tornillos y palomillas a dicho marco. Se
corta la pieza que servirá de base giratoria y s une mediante el eje de giro (barra
roscada) a la estructura que soporta la placa solar.
3. Se cortan y se pegan las piezas de madera que forman la base del proyecto
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4. Se coloca el eje con el engranaje sobre una estructura formada por perfiles de
aluminio que sirve de soporte a la base giratoria.
5. Se fija el motor en cuyo eje de salida se ha puesto un tornillo sinfín.
6. Se coloca el LDR que va unido mediante cable a la placa de circuito impreso.
7.
Se ponen los cables que corresponden el circuito eléctrico que une la placa de
circuito impreso con el sistema electromecánico según el esquema del circuito
dibujado mas arriba y
diseñado en con el
programa Crocodile, o
lo que es lo mismo
según el esquema de
la izquierda, mas
intuitivo. La situación
de los interruptores
finales está marcada
en los dibujos de los
pasos 3 y 6 mediante
flechas.
La
base
giratoria lleva en la
periferia una varilla
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de madera que chocará con los finales de carrera al girar.
8. Ya está construido el objeto.
9. Finalmente se comprueba que el objeto funciona, es decir que en oscuridad la placa
solar girará hasta que al iluminar con un flexo el LDR se pare en ese lugar. Los
finales de carrera sirven para delimitar el recorrido total de la placa solar, es decir
que cuando la base giratoria toque el final de carrera, el motor se parará y la placa
deja de girar. Y lo mismo para cuando el giro se realice hacia la izquierda.
Tiempo necesario para desarrollar esta unidad:
6 semanas con tres horas de clase a la semana.
Cuestiones para los alumnos:
1. A la vista del siguiente circuito contesta:
•
•
¿Qué otras aplicaciones se te ocurren para este circuito?
¿Cómo conectarías un motor al relé si quieres que este se pare automáticamente
cuando una persiana llegue al final de su recorrido?
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2. ¿Qué podríamos añadir al objeto construido que lo hiciera más útil?
3. Elaboración de la memoria del proyecto según los siguientes apartados.
1. Planteamiento del problema
2. Búsqueda de información
3. Definición del objeto
4. Diseño
a. Boceto
b. Perspectiva
c. Planos de las distintas piezas de contrachapado
d. Foto del objeto
e. Esquema del circuito y explicación del mismo
f. Cálculos realizados
6. Planificación del trabajo: Tareas a realizar. Lista de materiales,
tornillería y operadores. Lista de herramientas
7. Presupuesto
8. Proceso de Construcción
a. Preparación de la placa de circuito impreso
b. Preparación de las piezas
c. Construcción de la estructura
d. Montaje del sistema de transmisión de movimiento
e. Montaje y conexión del circuito eléctrico y electrónico.
Se pueden añadir fotos de las distintas fases del proceso de construcción
9. Comprobación y Rediseño
Explica si funciona o no el objeto. Si no funciona explicar por qué puede ser
y cómo se puede solucionar. Explicar si cumple o no las características que se
pedían. Si a lo largo del proceso de construcción se han cambiado algunas cosas con
respecto al boceto del principio decid cuales y por qué.
10. Mejoras que se pueden introducir.
Escribir posibles modificaciones que se podrían introducir en el objeto y que
mejorarían su función
11. Evaluación
Análisis de las respuestas de los alumnos:
Las distintas respuestas de los alumnos a las cuestiones anteriores fueron:
1.
• .-Encendido automático de farolas según la luz solar
.-Como circuito detector de personas en puertas de apertura automática. Si
existe un rayo láser que incida sobre un LDR el motor que acciona la puerta
está parado, al interponerse una persona el láser deja de actuar sobre el LDR
(oscuras) el motor se pone en marcha y se abre la puerta.
.-Una alarma. En la que cuando un objeto se interpone entre el láser y el LDR
suena un timbre.
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.-Que al interponerse humo de un incendio entre el láser y el LDR se activara
un motor de una bomba de agua que apagara el incendio.
•
2. Poner un ventilador que funcionara con la energía eléctrica generada por la placa
solar.
Poner otro detector de luz que hiciera que todo el mecanismo dejara de funcionar
por la noche y así no haría falta desconectarlo manualmente mediante el
conmutador de tres posiciones.
3. De la memoria elaborada por los alumnos, quizás lo que más información nos
ofrece para poder reproducir el objeto construido sean los planos de las piezas
cortadas en madera. Por ello a continuación se incluyen dichos planos y se señalan
las piezas con un número en la foto del proyecto construido
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Análisis de la práctica presentada por el profesor:
Este ha sido un proyecto que ha gustado mucho a los alumnos por varias cosas:
En primer lugar quedaron muy sorprendidos cuando descubren que el circuito electrónico
funcionaba, es decir que cuando al tapar el LDR se enciende el Led. Es como si
descubrieran que la electrónica no es algo tan “marciano” sino que está a su alcance
entender, diseñar y montar un circuito electrónico útil.
El ver que funcionaba el circuito electrónico les motivó más aún a continuar el proyecto
para conseguir el objetivo final, que era que cuando al LDR le diera la luz el motor se
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parara y el soporte de la placa solar dejara de girar para aprovechar la máxima intensidad
de luz solar.
Estaban tan ilusionados que quisieron continuar el proyecto y colocar un ventilador que
girara gracias a la energía eléctrica generada por la placa solar. No contentos con eso
pretendían conseguir que dicha energía se utilizara también para abastecer el propio motor
que hace girar la placa. La idea es muy buena, pero evidentemente hacen falta mas placas
solares conectadas en serie para conseguir un voltaje que lo permita. Esto último ya no lo
hicimos, pues era alargar mucho el proyecto.
A los alumnos más retrasados les costaba trasladar la lectura del esquema del circuito
electromecánico a su montaje en la realidad y necesitaban que en varias ocasiones se les
dijera donde tenían que conectar los cables. Sin embargo, una vez montado fueron capaces
de entender perfectamente el funcionamiento del circuito del proyecto.
A pesar de se un proyecto complejo, me consta que los alumnos han disfrutado.
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