Conceptos básicos para diseñar un carrito solar

En una ocasión anterior abordé el tema de como construir un carrito solar como proyecto de ciencias. Ya que este es uno de los temas más comentados, comentaré algunos puntos importantes para el diseño del mismo y poder aumentar la velocidad de los carritos en una posible competición de carritos solares como la mostrada en este video.


1. Factores que disminuyen la velocidad del carrito solar.

- Peso: cuanto más liviano sea el carrito, mayor aceleración el carrito alcanzará (recuerden que por la segunda ley de Newton, la aceleración es inversamente proporcional a la masa).

- Resistencia del viento: la resistencia provocada por el viento disminuye la velocidad del carro. Mientras más área de contacto tenga el carrito con el viento y mientras mayor sea la velocidad del viento (la cual depende de la velocida del aire y del propio carrito), mayor será la influencia del viento sobre él.

- Fricción: la fricción entre los engranajes, las ruedas y del contacto de las llantas con la pista también disminuyen la velocidad del carrito.

La fuerza de fricción depende de las caracteristicas de la superficie en contacto (entre engranajes, en las ruedas y entre la llanta y el suelo). y de la masa del carrito.

Por lo tanto, el peso del carrito debe ser el menor posible, se debe evitar elementos que aumenten la resistencia del aire (por ejemplo, puertas abiertas, carteles perpendiculares a la dirección del viento), los engranajes deben tener poca fricción (usar engranajes de plástico o aluminio) y deben estar montadas firmemente al chasis ó sobre un apoyo rígido, las ruedas deben ser perfectamente redondas y tener llantas de goma y los ejes deben ser perfectamente paralelos y bien apoyados.

2. Conceptos básicos sobre la célula fotovoltaica.

Las células fotovoltaicas fueron creadas en 1954. En si ellas trasforman la luz del sol en energía eléctrica a través de un fenómeno físico conocido como efecto fotovoltaico. Las células solares están hechas generalmente de silicio.

Existen varias tecnologías de células siendo las más importantes las de tipo cristalino y las de tipo amorfo. Como esto no es tan importante en este caso, lo que nos importa es cuanta energía estas celulas son capaces de entregar. La unión de varias celulas es llamada de modulo fotovoltaico.

Para caracterizar una célula fotovoltaica (o un modulo) se usa su curva IV (corriente vs voltaje), como se ve en la figura siguiente:

La tensión de la célula disminuye si aumenta la temperatura de la célula, por otro lado la corriente generada aumenta si aumenta la irradiación solar sobre ella.

La salida eléctrica de la celula (tensión y corriente) depende del valor de la resistencia del circuito (en este caso del motor). Para saber como obtener este valor se puede usar una resistencia variable unida al modulo y medir los valores de corriente y tensión obtenidos con un multimetro.

Las células pueden ser conectadas en serie o en paralelo según las necesidades del motor. En un arreglo en serie las tensiones se suman (6 células de 1,5 V en paralelo seria equivalente a una célula de 9 V), mientras que en un arreglo en paralelo las corrientes se suman ( 3 células de 1 A en paralelo equivalen a una célula de 3 A).

arreglo en serie

arreglo en paralelo

3. Conceptos básicos sobre el motor.

Para poder avanzar el motor del carrito tiene que tener la fuerza necesaria para vencer la resistencia de los tres factores comentados arriba. Esta fuerza es igual a la potencia del motor dividida por la velocidad del carrito.

Cuando el carrito arranca, la potencia del motor es pequeña. Conforme se aumenta la velocidad, la potencia del motor continuará creciendo hasta un valor determinado que depende del motor. A partir de esta velocidad, a pesar que esta aumente, la potencia del carrito empezará a disminuir. Más o menos como se ve en el gráfico:

Existen algunas técnicas para evaluar un motor, la más conocida es usar un dinamómetro, que tal vez pueda haber en el laboratorio de fisica de tu colegio ó crear tu propio banco de pruebas con pesos como es mostrado en el siguiente manual en inglés (pag. 7, 8 y 19).

El motor debe funcionar con corriente contínua. La tensión de trabajo depende del tipo y número de células fotovoltaicas que conectes en serie, ya que no debe exceder ese parámetro. Lo importante es que veas el número de rotaciones que tiene el motor (de preferencia compra un motor de alta rotación con opción de reducción por engranajes).

Otra opción es que uses el motor de un carrito de juguete, pero fijate cuantas pilas usa para no excederte en la tensión. Las pilas AA, AAA, C y D son de 1,5 V. Por lo tanto, si el juguete usa 4 pilas su consumo debe ser de 6V.

Fuente: Model Solar Car racing