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Desde la aparición de los humanos sobre la faz de la Tierra, se ha intentado facilitar las acciones que realizamos día con día, sin embargo, el aumento descomunal de la población ha generado la necesidad de satisfacer las insuficiencias como la energía eléctrica la cual es obtenida a partir de la quema de hidrocarburos que, al reaccionar con oxígeno, expulsan a la atmósfera grandes emisiones de Dióxido de Carbono causando el efecto invernadero y cambio climático.

Para satisfacer esta necesidad, se debe de obtener energía a partir de diferentes medios, un ejemplo claro son las energías verdes o energías renovables, específicamente, la energía solar y energía cinética.

Posible solución

Las soluciones más viables para evitar contaminar en cantidades exageradas es el uso de paneles solares para la obtención de la energía eléctrica a partir de la radiación emitida por el sol, además de usar otro medio como las baldosas piezoeléctricas.

Un material piezoeléctrico es aquel que produce una carga eléctrica cuando una tensión mecánica es aplicada (el material es apretado o estirado). O bien por una deformación mecánica (el material se expande o contrae) se produce cuando se aplica un campo eléctrico. El efecto se forma con cristales y/o cuarzos que no tienen un centro de simetría.

El efecto piezoeléctrico es un efecto en el cual la energía es convertida de forma mecánica a eléctrica. Fue descubierto en 1880 por los hermanos Curie.

Los rayos solares son una fuente básica de energía inagotable, esta gran cantidad de energía puede captarse para generar ENERGÍA ELÉCTRICA, una alternativa moderna para su obtención es con los paneles solares, formados por celdas fotovoltaicas, que transforman de manera directa la radiación solar en electricidad.
Las celdas fotovoltaicas están formados por metales sensibles a la luz que desprenden electrones cuando los rayos de luz inciden sobre ellos, generando energía eléctrica. Hechas a base de silicio puro, siendo capaces de generar cada una de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0.46 a 0.48 Voltios. Los paneles captan la energía solar transformándola directamente en eléctrica en forma de corriente continua, que se almacena en acumuladores, para que pueda ser utilizada fuera de las horas de luz. Los módulos fotovoltaicos admiten tanto radiación directa como difusa, pudiendo generar energía eléctrica incluso en días nublados.

Las baldosas piezoeléctricas  son un medio por el cual se obtiene energía eléctrica mediante la cinética en donde los cuarzos contenidos en los generadores, al ser deformados, producen ondas electromagnéticas (como fue mencionado con anterioridad) que si son aprovechadas de la mejor manera pueden ser sumamente benéficos para nuestra vida cotidiana, por ejemplo; una de las ideas más novedosas para la obtención de energía a través de este medio es poner dichas baldosas piezoeléctricas en explanadas o lugares  concurridos donde se camine, colocarlas en autopistas y toda la presión que ejercería el vehículo contra la baldosa será transformada en energía eléctrica e incluso, puede ser colocada en gimnasios donde pueden actuar como escaleras, no solamente ayudándonos a reducir los efectos nocivos de la contaminación , sino hasta nos ayuda con nuestra salud y obtener energía limpia a través de dicho prototipo.

Una de las ventajas de estas tecnologías es porque “son modulares”, lo que permite fabricar desde pequeños paneles y baldosas, útiles para los techos de las casas o hasta grandes plantas fotovoltaicas que pueden generar gran cantidad de energía y desde pequeñas baldosas en escaleras hasta colocarlas en autopistas enteras.

Pero también es una tecnología limpia ya que es renovable e inagotable y no contamina, no emite CO2 y los gastos de mantenimiento son mínimos.

Los elementos principales de un panel solar son: generador Solar (un conjunto de paneles fotovoltaicos que captan energía luminosa y la transforman en corriente continua a baja tensión), acumulador (almacena la energía producida por el generador y transforma a través de un inversor la corriente continua en corriente alterna), regulador de carga (su función principal es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, puesto que los daños podrían ser irreversibles) inversor (se encarga de transformar la corriente continua producida por el campo fotovoltaico en corriente alterna, la cual alimentará directamente a los usuarios.

Tradicionalmente un sistema fotovoltaico se utilizaba para el suministro de energía eléctrica en lugares donde no era rentable la instalación de líneas eléctricas.  Con el tiempo su uso se ha ido diversificando hasta el punto de que actualmente resultan de gran interés las instalaciones solares en conexión con la red eléctrica. La energía fotovoltaica tiene muchísimas aplicaciones, podemos disponer de electricidad en lugares alejados de la red de distribución eléctrica.

Mediante sistemas fotovoltaicos se puede suministrar electricidad conectados a red, como ocurre actualmente en países como España, Alemania o Japón. Estas compañías de distribución eléctrica están obligadas por ley a comprar la energía inyectada a su red por estas centrales fotovoltaicas, que puede ser una casa.
 

Los paneles fotovoltaicos actualmente se pueden obtener a precios moderados que
resultan ya totalmente competitivos para generar energía en nuestras casas a un precio que merece la pena. Y, puesto que el precio de los paneles no va a aumentar
(si acaso permanecerá a un valor constante unos años antes de seguir disminuyendo) y puesto que el resto de las fuentes energéticas utilizan recursos cada vez más escasos (gas, carbón, uranio) que sí van a aumentar su costo en un futuro.
La obtención de energía solar y a través de generadores piezoeléctricos incluyen en dichos procesos ciertas leyes y/o principios físicos los cuales son los responsables de explicarnos el funcionamiento para poder entenderlo de mejor manera y con ello, poder crear uno por nuestra cuenta  si es requerido. A continuación, se muestran cinco de los principios más relevantes de dicho proceso.

Leyes y principios del prototipo

 

1. Primera ley de la termodinámica: La energía total de un sistema aislado no se crea ni se destruye, permanece constante. La energía sólo se transforma de un tipo a otro. Cuando desaparece una clase de energía debe producirse una cantidad equivalente. El mismo principio se aplica en la energía solar fotovoltaica y en la energía solar térmica. Los átomos de las partículas que forman el Sol contienen energía, mediante una reacción nuclear esta energía se transforma en radiación. La radiación solar que llega a la Tierra es captada por los paneles solares fotovoltaicos o les colectores térmicos, que transforman esta energía en energía eléctrica (fotovoltaica) o energía calorífica (térmica).

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2. Ley Cero de la Termodinámica: La ley cero de la termodinámica permite establecer el concepto de temperatura. Se dice que dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando, al ponerse en contacto, sus variables de estado no cambian. En torno a esta simple idea se establece la ley cero. La ley cero de la termodinámica establece que, cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, estos están a su vez en equilibrio térmico entre sí.

3. Ley de conservación de la energía y termodinámica: La ley de la conservación de la energía es considerada una de las leyes fundamentales de la física y constituye el primer principio de la termodinámica. Plantea que la energía total de un sistema aislado permanece constante, únicamente se transforma lo que implica que en ciertas condiciones la masa se puede considerar como una forma de energía.

4. La ley de conservación de la energía afirma que no existe ni puede existir nada capaz de generar y desaparecer la energía y por último si se observa que la cantidad de energía varía, siempre será posible atribuir dicha variación a un intercambio de energía con algún otro cuerpo o con el medio circundante.

 

5. Reflexión de la luz: es el cambio de dirección, en el mismo medio que experimenta un rayo luminoso al incidir oblicuamente sobre una superficie. Para este caso las leyes de la reflexión son:

  • 1a. ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en un mismo
    plano.

  • 2a. ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
    El fenómeno más evidente de la reflexión en el que se refleja la mayor parte del rayo
    incidente sucede cuando la superficie es plana y pulimentada (espejo).

 

6. Ley Ohm: Es la relación de corriente medida en amperios que circula por un conductor, la cual es igual a la diferencia de voltaje, entre la resistencia que encuentra esa corriente en el conductor.

7. Ley de Hooke (elasticidad): Cuando un objeto se somete a fuerzas externas, sufre cambios de tamaño o de forma, o de ambos. Esos cambios dependen del arreglo de los átomos y su enlace en el material. Cuando un peso jala y estira a otro y cuando se le quita este peso y regresa a su tamaño normal decimos que es un cuerpo elástico.

8. Ley de Faraday (Inducción Electromagnética): La Ley de Faraday proclama que el voltaje inducido es directamente proporcional a la velocidad con la que cambia el flujo magnético que atraviesa una superficie con el circuito como borde.

9. La ley de Ampere: Establece que, para cualquier trayecto de bucle cerrado, la suma de los elementos de longitud multiplicado por el campo magnético en la dirección de esos elementos de longitud es igual a la permeabilidad multiplicada por la corriente eléctrica encerrada en ese bucle.

 

10. Ley de Gauss: encuentra aplicación en el cálculo de los campos eléctricos alrededor de los objetos cargados. Cuando se aplica la ley de Gauss a un campo eléctrico de una carga puntual.

Materiales para Construir Prototipo

  • 2 tablas de 38 x 22

  • 4 pernos de 1.5 cm de diámetro x 10 cm de largo

  • 4 tuercas de 1.75 cm de diámetro

  • 9 pulsores piezoeléctricos

  • 9 barras de silicón

  • Cautín

  • 1 metro de estaño

  • Inductor electromagnético de foco ahorrador

  • Capacitor de voltaje

  • 1 metro de cable de cobre calibre 14

  • 4 resortes de 3 cm de diámetro

  • Panel solar

  • Caja de cartón de dimensiones 10 x 11 x 10

  • Adaptador USB

  • Esponja

  • Foco led rojo

  • Retenedor de voltaje

  • Puente de diodos

  • Regulador de voltaje 7805

  • Panel Solar fotovoltaico (5.2 voltios a 6.1 Voltios)

  • 3 láminas de acetato

  • 3 láminas de aluminio de cocina

  • Cinta adhesiva

  • Resistencia de 1,9 V

Aplicación del prototipo

Este prototipo se propuso para que se le diera uso en la comunidad estudiantil del Plantel Isidro Fabela Alfaro y con esto disminuir la contaminación ambiental provocada por el uso excesivo de esta energía por parte de los alumnos; la baldosa piezoeléctrica-solar no solo puede ser utilizada en el plantel debido a que es un instrumento fácil de utilizar y no sólo beneficia al ambiente, sino que para que esta funcione se tiene que llevar a cabo la realización de ejercicio y con la ayuda del panel solar se obtiene la energía para poder cargar la batería de un celular como se muestra en Figura 7. Aulas del PIFA iluminadas.       los parámetros.

Al hacer uso de la baldosa piezoeléctrica-solar contribuimos a que la contaminación ambiental generada por el uso excesivo de la energía eléctrica disminuya, realizamos ejercicio teniendo beneficios para nuestra salud y generamos energía eléctrica de una manera sustentable, por lo que este prototipo se puede adaptar en hogares y no solo en el Plantel Isidro Fabela Alfaro.

¿Qué nos impulsó a la realización de este prototipo?

Primeramente analizamos la actividad estudiantil así como cada una de las problemáticas que fueron suscitadas en el momento del análisis de la que destacó el “consumo excesivo de energía eléctrica en el Plantel Isidro Fabela Alfaro de la Escuela Preparatoria”.

Decidimos abordar este tópico principalmente por las consecuencias que esta conlleva (innumerables tipos de contaminación) entre las más significantes están, contaminación del cielo (lumínica) y contaminación del aire.

Tenemos como propósito el resolver dicha problemática a través de nuestro prototipo con el cual, se obtiene energía eléctrica a través de fotones y de cinética reduciendo drásticamente el consumo de energía eléctrica si se fabricaran más de nuestros prototipos y fueran ubicados en puntos estratégicos de la escuela.

​REFERENCIAS

¿Cómo funciona la baldosa piezoeléctrica solar?

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