2.1.4
Energia Solar 1
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Qué esperar
En esta actividad, tendrás la oportunidad de trabajar directamente con células solares, también conocidas como células "fotovoltaicas". Primero, conectarás células solares en diferentes tipos de circuitos y medirás su salida. Luego, utilizarás la electricidad producida por las células solares para crear "arte giratorio" al alimentar un motor eléctrico.
Conexiones
En las actividades anteriores, has explorado diferentes formas de energía y medido la cantidad de energía que algunos dispositivos consumen. Esta actividad se centra en un tipo particular de energía: la energía solar. Hoy cubriremos los conceptos básicos de la energía solar. La actividad de la próxima semana utilizará las mismas células solares junto con el micro para mostrar algunas aplicaciones interesantes.
La Pirámide Solar es una instalación artística de 16 pies de altura en el vecindario de Bronzeville, creada por la artista Shala Akintunde, que también alimenta un edificio.
Arte Solar y Diseño Tecnológico en Bronzeville
(La Pirámide Solar comienza en el minuto 56)
Parte 1: Haciendo Circuitos con Celdas Solares
Materiales
2 celdas solares mini del kit de aula solar
Multímetro con sonda roja y negra
Lámpara halógena o luz solar exterior si es un día soleado
Papel de borrador con bolígrafo/lápiz
Trozos de cartón (no incluidos en el kit de materiales)
¿Cómo funciona un panel solar?
La mayoría de las celdas solares están hechas principalmente de silicio combinado con pequeñas cantidades de otros materiales dopantes como boro y fósforo. Estos materiales se combinan para formar una "unión p-n", que actúa como una válvula unidireccional para los electrones. Cuando una partícula de luz (un fotón) impacta a un electrón en la celda solar, el fotón le da energía al electrón, permitiéndole moverse solo en una dirección a través de la celda solar: hacia la superficie. Si se conecta un cable desde la parte superior de la celda solar, a través de una carga y de regreso al lado posterior de la celda solar, se forma un circuito completo. Cuando muchas celdas solares individuales se conectan juntas para aumentar la salida de energía, lo llamamos un panel solar.
De la American Chemical Society: Representación esquemática de una celda solar, mostrando las capas tipo n y tipo p, con una vista de cerca de la zona de agotamiento alrededor de la unión entre las capas tipo n y tipo p. Anthony Fernandez
Para más detalles sobre la construcción de una celda solar, haz clic aquí para abrir una página de la ACS. https://www.acs.org/education/chemmatters/past-issues/archive-2013-2014/how-a-solar-cell-works.html
En esta actividad utilizaremos un multímetro para medir la salida de las celdas solares. Un multímetro (mostrado en la Figura 1) es un dispositivo que puede medir el voltaje y la corriente de un circuito eléctrico. Primero, medirás el voltaje y la corriente de una celda solar individual. Luego, conectarás varias celdas juntas para hacer circuitos en serie y en paralelo.
Figura 1. Componente de Multímetro.
Configuración del Multímetro:El enchufe negro siempre debe estar conectado al puerto inferior derecho del multímetro, etiquetado como COM.
El enchufe rojo generalmente debe estar conectado al puerto del medio del multímetro, etiquetado como VΩmA.
Sugerencia: si tu multímetro no está funcionando como se esperaba, ¡verifica las conexiones de los enchufes rojo y negro!
Figura 2. Conexiones del multímetro para medir voltaje, resistencia y pequeñas cantidades de corriente (izquierda), y para medir cantidades mayores de corriente hasta 10 Amperios (derecha)
Puedes usar estas conexiones de enchufe (mostradas en el extremo izquierdo) para medir voltaje, resistencia o pequeñas cantidades de corriente. Sin embargo, si deseas medir cantidades mayores de corriente, hasta 10 Amperios (como haremos en esta actividad), puedes conectar el enchufe rojo al puerto superior del multímetro, etiquetado como 10A, y girar el dial rotatorio a “10” en la sección de Corriente DC.
Figura 3. Una célula solar conectada al multímetro
Midiendo una sola célula solar
En grupos de aproximadamente 2-3 personas, recojan los materiales: un multímetro, una lámpara halógena y algunas mini células solares. Si es un día soleado y pueden salir al exterior, pueden usar la luz solar en lugar de la lámpara.
Conecten una sola célula solar al multímetro, como se muestra en la Figura 3.
3. Primero mediremos el voltaje de la célula solar. El voltaje es una fuerza eléctrica que empuja la carga (por ejemplo, electrones) a través de un circuito. Asegúrate de que el cable negro del multímetro esté conectado al puerto inferior (COM) y el cable rojo esté conectado al puerto del medio (V𝛀mA). Gira el dial del multímetro en sentido antihorario a la posición “20” en la sección de Voltaje DC del multímetro. Ilumina la célula solar con tu lámpara halógena. Deberías ver un voltaje de alrededor de 0.5 - 0.6 Voltios. Anota tu medición en tu papel de borrador.
4. Sostén tu mano sobre la célula solar para que esté sombreada. ¿Ha cambiado el voltaje? Anota tu nueva medición de voltaje en tu papel de borrador.
5. A continuación, mediremos la corriente de la célula. La corriente es la tasa a la que la carga fluye a través del circuito. Estas mini células solares pueden producir una cantidad sorprendente de corriente, así que, retira el cable rojo del multímetro del puerto medio (V𝛀mA) y conéctalo al puerto superior (10A). Gira el dial del multímetro a la posición “10” en la sección de Corriente DC. Ahora ilumina la célula solar con tu lámpara halógena. Dependiendo de la distancia de tu lámpara a la célula, deberías ver alrededor de 0.05 - 0.2 Amperios. Anota tu medición en tu papel de borrador.
6. Sostén tu mano sobre la célula solar para que esté sombreada. ¿Ha cambiado la corriente? Anota tu nueva medición de corriente en tu papel de borrador.
7. Has terminado de medir la salida eléctrica (voltaje y corriente) de una sola célula solar. En tu papel de borrador, haz una tabla como la Tabla 1 a continuación y completa la primera columna de datos. En la siguiente sección, completaremos la segunda columna.
Table 1. Voltage (V) and Current (A) in Series and Parallel Circuits
Medición de dos celdas solares conectadas en serie:
En el mundo real, una sola celda solar no es lo suficientemente potente por sí misma, por lo que las conectamos juntas para aumentar la potencia de salida. Primero las conectaremos en un circuito en serie y luego en paralelo.
Figure 4. Two solar cells connected in series
Conecta dos celdas solares en serie como se muestra en la Figura 4. El cable rojo de una celda solar debe conectarse al cable negro de la otra celda solar. Luego, conecta el cable negro restante de la celda solar a la sonda negra del multímetro, y el cable rojo restante de la otra celda solar a la sonda roja del multímetro. Cuando las celdas están en serie, la corriente tiene que pasar por una celda solar y luego por la otra.
2. Ahora mide la salida de voltaje total de las dos celdas combinadas en serie, de la misma manera que lo hiciste con una sola celda solar. Consejo: asegúrate de que la sonda negra del multímetro esté conectada al puerto inferior (COM) y la sonda roja esté conectada al puerto del medio (V𝛀mA). Gira el dial del multímetro al "20" en la sección de Voltaje de Corriente Continua (DC) del multímetro, ilumina las celdas solares y registra tu medición en la segunda columna de tu tabla de datos.
3. Coloca tu mano sobre las celdas solares de manera que esté sombreando al menos una de las celdas. Escribe tu nueva medición de voltaje en tu tabla de datos.
4. A continuación, mide la corriente total de las dos celdas combinadas en serie. Consejo: retira la sonda roja del multímetro del puerto del medio (V𝛀mA) y conéctala al puerto superior (10A). Gira el dial del multímetro al "10" en la sección de Corriente Continua (DC), ilumina las celdas solares y registra tu medición en tu tabla de datos.
5. Coloca tu mano sobre la celda solar de manera que esté sombreando la celda. Escribe tu nueva medición de corriente en tu tabla de datos.
Medición de dos celdas solares conectadas en paralelo:
La otra forma en que podemos conectar las celdas solares es en paralelo. Conectaremos las dos celdas en paralelo y luego completaremos las mediciones para tu tabla de datos.
Figure 5. Two solar cells connected in parallel
Conecta dos celdas solares en paralelo como se muestra en la Figura 5. Los cables rojos de ambas celdas solares se conectan juntos y se conectan a la sonda roja del multímetro, y los cables negros de ambas celdas solares se conectan juntos y se conectan a la sonda negra del multímetro. Cuando las celdas están en paralelo, la corriente pasa por una celda solar o por la otra, pero no por ambas.
Completa tu tabla de datos midiendo el voltaje, el voltaje cuando las celdas están sombreadas, la corriente y la corriente cuando las celdas están sombreadas.
3. Asegúrate de apagar el multímetro cuando hayas terminado. De lo contrario, se agotará la batería.
4. Observa tu tabla de datos completada. ¿Cuáles son las diferencias en la salida entre cada tipo de circuito? En general, lo que probablemente verás es que en los circuitos en serie, los voltajes se suman, pero la corriente se mantiene aproximadamente constante. Mientras que en los circuitos en paralelo, las corrientes se suman, pero los voltajes permanecen aproximadamente constantes.
Parte 2. Arte con Spinner Solar
Ahora que sabes cómo funcionan las celdas solares, ¡es momento de divertirse con ellas! En esta actividad corta, harás "arte giratorio" conectando una celda solar a un motor. El motor hará girar un pedazo de cartón, y usarás marcadores para dibujar en el cartón mientras gira.
Materiales para la Parte 2
1 pedazo de cartón de aproximadamente 5 pulgadas x 5 pulgadas (no tiene que ser exacto)
Marcadores
Del kit solar de la clase:
4 sujetadores de latón
1 motor
1 mini celda solar
1 rueda de plástico amarilla (usada para conectar el motor)
Instrucciones
Figure 6. Spinner Art Assembly Mechanism Top View
Para comenzar, usa los sujetadores de latón para conectar el pedazo de cartón a la rueda de plástico amarilla, como se muestra en la Figura 6.
Figure 7. Spinner Art Assembly Mechanism Side View
r e ilumínala. El motor debería comenzar a girar. ¿Qué sucede si intercambias los cables rojo y negro de la celda solar?
Usa los marcadores para dibujar en el cartón mientras gira. Intenta hacer una forma de espiral, círculos concéntricos u otro diseño de tu imaginación.
¿Cómo podrías hacer que el motor gire más rápido o más lento? Piensa en la primera actividad de hoy, donde la salida cambió cuando las celdas solares se conectaron en serie y en paralelo.
Piensalo
En esta actividad, realizamos experimentos que mostraron cómo cambia la salida de los circuitos de celdas solares en serie y en paralelo. Luego usamos las celdas solares para crear diseños creativos de arte giratorio.
¿Tienes alguna pregunta sobre cómo funcionan los paneles solares? ¡No dudes en contactarnos!
¿Tienes más ideas para cosas divertidas que podrías hacer con las celdas solares? ¿Qué más podrías alimentar?
¿Hubo algo de esta actividad que te sorprendiera?
Para la próxima
En la próxima actividad, continuarás trabajando con celdas solares. Esta vez, ¡usarás celdas solares combinadas con el micro para hacer circuitos musicales!
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