Taller de Investigación II Marco conceptual Departamento de Ingeniería Mecánica Mecatrónica ACTIVIDAD 2.3"Marco Conceptual" 28 de Marzo del 2019 ESTUDIANTES Guerra Salas Gerardo Mecatrónica Vargas Berlanga José Daniel Mecatrónica Chávez García Oziel Oswaldo Mecatrónica Hernández Cortez Ángel Hamaliel Mecatrónica Ramírez Orozco Juan Carlos Mecatrónica 1 de 9 Taller de Investigación II Marco conceptual Marco Conceptual Introducción Nuestro proyecto se ubica dentro la búsqueda de la eficiencia y la las cualidades de la energía solar y su uso en el ámbito automotriz, viendo como el hombre se ha esforzado por tratar de aprovechar al máximo la energía solar. Sólo en los últimos años cuando hay mayores demandas de energía, problemas ambientales crecientes y una reducción de las fuentes de combustibles fósiles hemos volcado la atención hacia las opciones de energía alternativa y concentrado nuestra atención en explotar con seriedad estos tremendos recursos. Definición de Conceptos Energía Se le atribuye el significado de energía a las ciencias físicas en lo popular es prácticamente una noción intuitiva. Así, se acostumbra decir que determinada persona es muy enérgica o tiene mucha energía para expresar que es muy activa, que es capaz de trabajar continuamente o que puede realizar un gran número de tareas durante una jornada sin que padezca los efectos del cansancio. Por otra parte, cuando alguien se esfuerza con tenacidad en alguna labor difícil, complicada y poco productiva, pensamos que está gastando inútilmente sus energías. La energía se manifiesta de múltiples formas, si es en forma de calor se denomina calorífica, si es en forma de luz, luminosa y si es en forma de electricidad, eléctrica. Hay muchos tipos de energía, pero podemos destacar la solar, la atómica o nuclear, la hidráulica, la química, la eléctrica, la eólica, la mecánica y la térmica. Los tipos de energía se suelen clasificar en función a su fuente, en especial si su fuente es o no agotable, en: Las energías renovables, es decir no se agotan aunque se utilicen como: • mareomotriz (mareas) • hidráulica (embalses), • eólica (viento), • solar (sol) • biomasa (vegetación) Las energías no renovables, es decir, no se reponen al ritmo que se consumen, podemos encontrar • combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural) • nuclear (fisión y fusión nuclear). Para en este caso nos centraremos solo 3 definiciones de energía que son: Energía solar: La energía solar es la energía contenida en la radiación solar que es transformada mediante los correspondientes dispositivos, en forma de energía térmica o energía eléctrica, para su consumo posterior allá donde se necesite. Energía eléctrica: La energía eléctrica es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energía produce, fundamentalmente, 3 efectos: luminoso, térmico y magnético. 2 de 9 Taller de Investigación II Marco conceptual Energía renovable: Se toda energía que, si se utiliza por el hombre para su beneficio, no se agota, en contraste con energías como el combustible fósil, además de que el proceso de producción de la primera, no genera residuos, o estos se convierten en material aprovechable por otros procesos Electricidad La electricidad es una forma de energía que se manifiesta con el movimiento de los electrones de la capa externa de los átomos que hay en la superficie de un material conductor. La electricidad es un fenómeno íntimamente ligado en la materia y a la vida. Todo lo que vemos en nuestro alrededor -y también lo que no vemos- está integrado miedo electrones, partículas que giran vuelvo a los núcleos atómicos. El movimiento de las cargas eléctricas a través de un medio conductor se conoce como corriente eléctrica y se origina en el poner contacto dos elementos entre los cuales hay una diferencia de potencial. Corriente eléctrica: El paso de carga eléctrica hacia un lado de una superficie se llama corriente eléctrica a través de dicha superficie y hacia ese lado. Si hay cargas libres en un volumen, puede crearse una corriente eléctrica a través de una superficie de su interior moviendo las cargas libres con velocidad de dirección adecuada para que atraviesen esa superficie. Eso puede conseguirse aplicando fuerzas a las cargas libres del conductor, o sea, creando un campo eléctrico en el conductor. Existen 2 tipos de corriente Corriente eléctrica continúa: Se aquella que fluye de uno puntúo en otro siempre en el mismo sentido. La corriente de una pila o batería es del tipo continúo. Corriente eléctrica alterna: Se aquella que fluye de uno puntúo en otro todo cambiando de sentido periódicamente. La electricidad comercial a gran escala procede de generadoras que producen corriente alterna. La corriente eléctrica genera también calor. Cuando las cargas eléctricas fluyen a través de un material conductor, chocan con sus átomos, los electrones ceden una parte de la energía que contienen y los átomos ganan velocidad, la cual se manifiesta a través del calor. Energía solar La energía solar llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética (luz, calor y rayos ultravioleta principalmente) procedente del Sol, donde ha sido generada por un proceso de fusión nuclear. El aprovechamiento de la energía solar se puede realizar de dos formas: por conversión térmica de alta temperatura (sistema foto térmico) y por conversión fotovoltaica. Particularmente nos interesa por el momento solo por conversión fotovoltaica ya que el vehículo va a presidir de este recurso 3 de 9 Taller de Investigación II Marco conceptual Celdas fotovoltaicas: Las celdas fotovoltaicas están elaboradas con dos tipos de materiales semiconductores, uno de carga negativa y el otro de carga positiva. Cuando las celdas solares se exponen a la luz, los fotones de la luz solar separan a los electrones de sus átomos. Uno de ellos se libera, de manera que el espacio libre es ocupado por otro electrón, que en su momento también fue arrancado de su propio átomo. De manera que el trabajo de las celdas fotovoltaicas consiste en impulsar a que los electrones libres salgan desde uno de los materiales semiconductores al otro. Mediante este proceso se genera una diferencia de potencial de cargas que conllevan a la corriente eléctrica. Por tanto, el flujo de corriente eléctrica que se produce va desde el mayor potencial al menor, hasta que en ambas potencias se genere la misma corriente. Sustentabilidad La sustentabilidad remite antes a la lógica de las prácticas, donde los efectos considerados deseables son conducidos al campo del conocimiento científico, donde conceptos son construidos para explicar lo real. Aplicada al espacio urbano, la noción de sustentabilidad tiene asociadas diversas representaciones para la gestión de las ciudades, desde la administración de riesgos e incertezas al incremento de la fortaleza y la capacidad adaptativa de las estructuras urbanas. Lo que parece organizar analíticamente el discurso de la sustentabilidad urbana sería su distribución en dos campos: de un lado, aquel que privilegia una representación técnica de las ciudades, articulando la noción de sustentabilidad urbana a los modos de gestión de los flujos de energía y materiales asociados al crecimiento urbano; de otro, aquel que define la insustentabilidad de las ciudades por la caída de la productividad de las inversiones urbanas, o sea, por la incapacidad de que estas últimas acompañen el ritmo de crecimiento de las demandas sociales, lo que coloca en juego, consecuentemente, el espacio urbano como territorio político. Existen diferentes enfoques para definir la sustentabilidad la definición adoptada por la World Commission on Environment and Development y formulada en 1987 en el mismo informe Brundtland, Our Common Future es la siguiente: Desarrollo sustentable: Hace referencia a la capacidad que haya desarrollado el sistema humano para satisfacer las necesidades de las generaciones actuales sin comprometer los recursos y oportunidades para el crecimiento y desarrollo de las generaciones futuras. Desarrollo económico: El bienestar social y la integración están unidos con un medioambiente de calidad. Esta sociedad tiene la capacidad de satisfacer sus necesidades actuales sin perjudicar la habilidad de que las generaciones futuras puedan satisfacer las suyas Todas estas definiciones, desde sus diferentes enfoques, tienen en común el bienestar ambiental para lograr una correcta relación entre la naturaleza y sus recursos con la raza humana y sus necesidades biológicas, económicas y sociales. 4 de 9 Taller de Investigación II Marco conceptual Automóvil El automóvil es el medio de transporte más común y popular, pudiéndose encontrar diferentes modelos de automóviles, tamaños, colores, formas y materiales. Como sucede con gran parte de los inventos tecnológicos, si bien existieron intentos primitivos de formar máquinas similares al automóvil desde hace mucho tiempo, no sería hasta fines del siglo XIX y principios del XX que empezarían a desarrollarse los automóviles tal como los conocemos hoy en día. De todos modos, estos también eran bastante diferentes a los actuales, con ruedas mucho más grandes y finas, asientos más reducidos o elegantes, techos de tela y manubrios también diferentes. La producción de autos se vio altamente incentivada por los nuevos métodos de fabricación que se desarrollaron en la primera mitad del siglo XX, métodos como la producción en serie de Ford que permitían elaborar más autos y de manera más rápida y que hoy en día siguen vigentes. El automóvil es una máquina que consta normalmente de cuatro ruedas, un interior diseñado para los viajantes, puertas, ventanas, un capó o tapa principal, baúl o espacio donde colocar objetos, etc., por lo cual se vuelve en un elemento de cierta complejidad. El automóvil funciona a partir del uso de energías, en la mayoría de los casos diferentes combustibles como gas, gasolina incluso electricidad. Motor El motor es el corazón de todo automóvil. Es una máquina construida para convertir el calor producido por la explosión (en el caso de los de gasolina) o la combustión (en el caso de los diésel) del combustible en un movimiento con suficiente fuerza como para que las ruedas giren y el vehículo pueda desplazarse. En el caso del motor convencional de gasolina, la cadena de reacciones que alcanza ese objetivo se pone en movimiento por una chispa, que enciende una mezcla de vapor de combustible y aire comprimido dentro de un cilindro momentáneamente sellado, haciendo que la mezcla se queme rápidamente. A medida que la mezcla se quema, se expande y proporciona energía. Motores gasolina: Los motores de gasolina, también conocidos como motores a cuatro tiempos de Otto, son aquellos que funcionan con una base termodinámica que se encarga de convertir la energía química de la ignición, provocada por la mezcla del aire y el combustible, en energía mecánica. De esta manera, el vehículo obtiene la energía necesaria para realizar sus movimientos. Tal y como hemos mencionado en el párrafo anterior, los motores gasolina funcionan en ciclos de cuatro tiempos que se podrían clasificar, a groso modo, de la siguiente forma: Fase de admisión: la válvula se admisión se abre, lo que permite que la mezcla de aire y combustible fluya hacia el interior de los cilindros. Fase de compresión: durante esta fase, la válvula se cierra y el pistón asciende para comprimir la mezcla. Fase de explosión: las bujías originan la chispa necesaria para producir la explosión y el descenso de los pistones. 5 de 9 Taller de Investigación II Marco conceptual Fase de escape: la válvula de escape se abre y los pistones se elevan para expulsar los gases quemados hacia el exterior. Motores diésel: Por lo general, los motores diésel son principalmente empleados en medios de transporte que requieren una dosis extra de potencia y que están pensados para una mayor carga diaria de trabajo, como vehículos industriales, de carga, maquinaria, medios aeronáuticos, etc. Desde que este tipo de motores naciera de la mano de Rudolf Diésel en 1893, la tecnología se ha extendido también hacia medios de transporte particulares, llegando actualmente en España a superar en número a los vehículos que funcionan con gasolina. Los motores diésel funcionan de manera similar a los de gasolina y su proceso puede dividirse de igual forma en cuatro tiempos, que son los siguientes: Fase de admisión: se produce el llenado de aire y la válvula de admisión permanece abierta mientras el pistón desciende hacia el punto muerto inferior. Fase de compresión: la válvula de admisión se cierra cuando el pistón llega al punto muerto inferior y comienza el recorrido hasta el superior comprimiendo el aire que se encuentra dentro del cilindro. Fase de combustión: el inyector pulveriza el combustible dentro de la cámara y éste se inflama de inmediato al entrar en contacto con el aire caliente. Fase de escape: se expulsan los gases quemados y se deja que la inercia vuelva a iniciar el ciclo. Motores eléctricos: Aunque no lo parezca, los motores eléctricos son anteriores a los diésel o gasolina de cuatro tiempos. Entre 1832 y 1832 Robert Anderson desarrolló el primer automóvil con motor eléctrico puro, capaz de transformar la energía eléctrica en energía mecánica por medio de los campos magnéticos que genera, sin necesidad de explosiones ni combustiones propias de los motores gasolina y diésel. En la actualidad cuando pensamos en vehículos eléctricos puros, solemos referirnos a BEV, o vehículos eléctricos de batería. Sin embargo, en el mercado podemos encontrar otras opciones como los FCEV, de pila de combustible, que van combinados con hidrógeno y los HEV y PHEV, conocidos como híbridos y enchufarles respectivamente, que alternan un motor eléctrico de imán permanente con uno de combustión interna (de gasolina principalmente). Motores de GLP y GNC: Los vehículos que funcionan con combustibles alternativos como el GLP (gas licuado del petróleo) o el GNC (gas natural comprimido), van ganando terreno en la industria automovilística, y cada vez son más los fabricantes que apuestan por comercializar versiones de algunos de sus modelos, propulsados por este tipo de combustibles. Cualquiera de las dos opciones, GLP o GNC, favorecen el aumento de la vida útil del motor, ya que no generan tanto desgaste en los cilindros y se depositan menos residuos en el sistema. No obstante, hay que tener en cuenta que en ocasiones dificulta la lubricación y puede deteriorar las 6 de 9 Taller de Investigación II Marco conceptual válvulas a mayor velocidad, cosa que podemos solucionar gracias a la mecánica preventiva y realizando un buen mantenimiento. Contaminación La Contaminación se denomina a la presencia en el ambiente de cualquier agente químico, físico o biológico nocivos para la salud o el bienestar de la población, de la vida animal o vegetal. Esta degradación del medio ambiente por un contaminante externo puede provocar daños en la vida cotidiana del ser humano y alterar las condiciones de supervivencia de la flora y la fauna. Alrededor de 2 millones de personas podrían morir cada año por alguna causa atribuible a la contaminación atmosférica, asegura la Organización Mundial de la Salud. Según este estudio la mayor cantidad de muertes se producen en los países en desarrollo donde se concentran altas densidades de partículas nocivas para la salud. La población humana crece según una progresión geométrica y la demanda de alimentos y necesidades básicas para la vida del hombre son cada vez mayores. El aumento en el consumo de diversos productos y desechos, provocados por el ser humano, trae como consecuencia la generación de sustancias tóxicas. Este desarrollo indiscriminado ha alterado la Tierra: Regiones enteras en zonas tropicales han sufrido la desertificación, Extinción de especies animales y vegetales Graves inundaciones que arruinan cada año las cosechas de las zonas más pobres del planeta. Los grupos más vulnerables frente a la contaminación son: niños, mujeres embarazadas, personas con afecciones respiratorias y ancianos con enfermedades crónicas. Otro sector de la población con un alto riesgo de padecer los efectos causados por la contaminación atmosférica son los que trabajan al exterior o en lugares donde se está más expuesto a emisiones de contaminantes, como calles llenas de tráfico vehicular o determinadas industrias. Algunos estudios vinculan la pobreza con una mayor probabilidad de padecer los efectos de la contaminación atmosférica. Los pobres viven hacinados en casas sin las necesidades básicas, en condiciones perjudiciales para la salud de sus hijos o cultivando en tierras degradadas. Clases de Contaminación: La contaminación puede ocurrir, en el suelo, la tierra y el aire. Se puede dividir en clases según los agentes contaminantes o el medio afectado: Contaminación Atmosférica: producto de las emisiones de gases tóxicos a la atmósfera terrestre, como el dióxido de carbono Contaminación del Agua: presencia de desechos en el agua, como los vertidos de industrias y las aguas servidas. Contaminación del Suelo: presencia de desechos en el suelo, a causa de actividades agrícolas y ganaderas. 7 de 9 Taller de Investigación II Marco conceptual Contaminación Sonora: presencia de altos decibelios en algún lugar determinado. Contaminación Química: un compuesto químico se introduce en el medio. Contaminación Radiactiva: dispersión de materiales radiactivos accidentalmente. Contaminación Térmica: emisión de fluidos a elevada temperatura. Contaminación Electromagnética: radiaciones del espectro electromagnético que son perjudiciales para los seres vivos. Contaminación Microbiológica: Producida por microorganismos, como en la manipulación inadecuada de alimentos. Conclusión: Un auto solar se deber como un todo desde el punto de energía, ambiental, técnico, sistemas y participantes, el objetivo es para presentar por separado su relación con los sistemas que comprende un el vehículo para su funcionamiento además de como interactúa con el medio ambiente y entorno social. 8 de 9 Taller de Investigación II Marco conceptual Bibliografía https://www.cienciacanaria.es/files/Libro-de-energias-renovables-y-eficiencia-energetica.pdf http://ceipjuanjaen.centros.educa.jcyl.es/sitio/upload/LA_ENERGIA_I.pdf https://solar-energia.net/ http://www.solartronic.com/download/Energia_Solar_Conceptos_Basicos.pdf Barrero, F. (2004). Sistemas de energía eléctrica (Vol. 1). Thomson. Acevedo A. Límites para la máxima eficiencia de celdas solares de silicio: efectos debidos a la generación Auger y a niveles profundos. Revista Mexicana de Física, volumen 42 (número 3), 1996: 449-458 [en línea]. Disponible en: http://rmf.smf.mx/pdf/rmf/42/3/42_3_449.pdf Chow T. 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