Ember: Procedimiento de Ensamblaje

Para dar inicio a la fase de construcción del generador eléctrico EMBER, llevamos a cabo la cotización y la compra de aquellos materiales que aún no teníamos, y que correspondían tanto al sistema mecánico como al sistema fotovoltaico. En el sistema mecánico adquirimos un regulador de voltajes y un puerto USB hembra, elementos que son necesarios para regular la salida de voltaje a los dispositivos y hacer posible la conexión de dispositivos de bajo consumo. Por parte del sistema fotovoltaico, se compraron celdas solares, un controlador de carga, una batería de 12V, un regulador LM2596 y un conector para pila de 9V. Son estos elementos los que permiten la recolección, el almacenamiento y la regulación de la energía solar dentro del sistema. La búsqueda de los materiales se realizó en el centro de la ciudad, priorizando precios accesibles, competitividad técnica y disponibilidad inmediata. Todo el proceso se basó en los cálculos de programación lineal realizados previamente, por lo que se optimizó el presupuesto y se procuró un buen proceso de compra. Una vez adquiridos todos los materiales estos fueron organizados y se almacenaron para proceder al proceso de ensamblaje del prototipo.

Figura 1. Materiales Adquiridos

Tomada por el Equipo de Trabajo

Primero se llevó a cabo la configuración del regulador de voltaje LM2596 así como la regulación del mismo, que posee una pantalla digital de modo que se puede ver el voltaje de salida en tiempo real. Esta etapa fue muy interesante y de alto grado de cuidado, ya que se debía establecer un voltaje preciso de 5V para alimentar los dispositivos de bajo consumo de forma correcta por medio del puerto USB hembra. La pantalla digital permitía analizar la corriente de carga y salida, utilizado como un segundo medio de comprobación durante el ajuste del voltaje a través de un tornillo-potenciómetro del regulador

Figura 2. Voltaje Ajustado al Sistema Mecánico

Tomada por el Equipo de Trabajo

Figura 3. Comprobación de la Pila Recargable

Tomada por el Equipo de Trabajo

El ensamblaje de la maquinaría comenzó tras las pruebas previas realizadas por el equipo de trabajo. Las tablas de madera de trébol fueron unidas a través de tornillos para dar forma a la estructura del mecanismo: Una caja rectangular de una división para incorporar los dos sistemas de forma organizada. Para el desarrollo de este proceso, se contó con el apoyo externo de un experto en carpintería para manejar de forma segura el atornillado del generador. La caja construida presentaba las siguientes dimensiones: 38 centímetros de largo, 30 centímetros de ancho, 15 centímetros de alto y 0,8 mm de espesor.

Figura 4. Prototipo del Generador en Madera

Tomada por el Equipo de Trabajo

Tras el proceso de atornillado, ciertos sectores de la madera fueron taladrados con el fin de obtener pasamuros. Por un lado, la parte delantera del generador fue cortada, de forma circular, para una posterior ubicación del eje principal del motor. Junto con eso, los laterales de la caja presentaron pequeños agujeros, para dar paso a los cables del sistema de manera a ordenada.

Figura 5. Pasamuros en Comprobación con el Motor

Tomada por el Equipo de Trabajo

Figura 6. Pasacables en Comprobación

Tomada por el Equipo de Trabajo

Inmediatamente, unas bases de madera fueron incorporadas alrededor del generador para la colocación de futuros implementos necesarios. Una tabla fue atornillada en la cara principal de la caja, con el fin de suministrar un apoyo para los dispositivos electrónicos durante la etapa de recarga. En la cara trasera, un soporte para la celda fotovoltaica fue incorporado, manteniendo un ángulo de 40° con respecto al suelo para recibir la luz solar, sin complicaciones, durante su utilización. Por último, una pequeña estructura fue acoplada, con adhesivo instantáneo, para la futura estación de carga de baterías eléctricas.

Figura 7. Soporte trasero para la Celda Fotovoltaica

Tomada por el Equipo de Trabajo

Figura 8. Soporte delantero para dispositivos electrónicos

Tomada por el Equipo de Trabajo

Definido por el equipo de trabajo, la estructura externa del generador fue pintada con aerosol negro en cada cara, mientras que el interior permaneció con los colores naturales de la madera utilizada. El contraste de tinturas combinaba correctamente, de tal manera que los implementos y circuitos internos podían ser visualizados y analizados con facilidad.

Figura 9. Prototipo exterior pintado

Tomada por el Equipo de Trabajo

Una vez regulado el voltaje de salida, el motor DC-DC fue conectado al regulador LM2596 y atornillado dentro de una de las divisiones del generador. La conexión permitía comprobar la regulación de electricidad, por parte de la fuente de energía, de forma satisfactoria a través del LM2596. Las primeras pruebas de salida se llevaron a cabo, notando una variación en el voltaje, marcando un paso importante para la posterior integración del resto de componentes del generador.

Figura 10. Pruebas del Motor con el LM2596

Tomada por el Equipó de Trabajo

Figura 11. Motor Adherido a la primera división del prototipo

Tomada por el Equipo de Trabajo

Una vez acoplado el motor de corriente directa al regulador de voltajes, se entrelazó este último con el puerto USB hembra, con el fin de permitir la entrega de energía regulada (5V). Después de un arduo proceso pruebas previas para verificar su efectividad, finalmente, con ayuda de soldaduras, las conexiones permitían el paso de la corriente eléctrica con destino a los dispositivos de bajo consumo, de forma directa, eficaz y segura.

Figura 12. Circuito del Sistema Mecánico

Tomada por el Equipo de Trabajo

Figura 13. Ensamblaje del Sistema Mecánico

Tomada por el Equipo de Trabajo

Se inició el proceso de ensamblaje del sistema fotovoltaico del generador eléctrico EMBER, empezando por el acoplamiento del controlador de carga con una de las caras laterales del generador de electricidad. Aquel dispositivo contaba con determinados espacios para la adhesión de clavos en sus cuatro esquinas, permitiendo un atornillado sencillo y preciso, evitando cualquier riesgo de daños a los circuitos internos.

Figura 14. Atornillamiento del Controlador de Carga Solar

Tomada por el Equipo de Trabajo

Mediante un minucioso proceso de estañado, se desarrolló la soldadura de la celda solar. Fue un proceso ejecutado con cuidado para asegurar una correcta polaridad y un adecuado anclaje rígido con las terminales negativo y positivo del panel fotovoltaico; Se utilizó estañado previo para facilitar la adhesión del cable y evitar desconexiones por vibraciones o manipulaciones.

Figura 15. Soldadura de la Celda Fotovoltaica

Tomada por el Equipo de Trabajo

Culminada la soldadura, la celda solar fue colocada en el soporte trasero del generador, y sus cables fueron conectados con dirección al controlador de carga solar, pasando por el interior del prototipo construido. Las conexiones se ubicaron en la pared que marcaba la división de los dos sistemas, dando un largo recorrido, en un ángulo de 90°, hasta atravesar uno de los pasacables más cercanos al dispositivo externo.

Figura 16. Circuito de las Terminales de la Celda Fotovoltaica

Tomada por el Equipo de Trabajo

Figura 17. Celda Fotovoltaica acoplada al soporte trasero

Tomada por el Equipo de Trabajo

Dentro del sistema fotovoltaico, la batería de litio fue implementada y asegurada con pequeñas bases de madera. Las conexiones, a través de cables AWG 20, fueron desarrolladas de manera cuidadosa, ya que cualquier choque entre las polaridades de corriente podían causar cortocircuitos, y por ende, deterioros significativos a la fuente de energía utilizada. Los cables cruzaron un pasacables rumbo al controlador de carga solar, conectándose en sus respectivas terminales asignadas. El proceso fue un éxito, ya que el dispositivo reflejaba el voltaje recibido y entregado por parte del sistema.

Figura 18. Terminales Celda Fotovoltaica

Tomada por el Equipo de Trabajo

El segundo LM2596 fue colocado a unos centímetros de la batería de litio, en una de las paredes laterales. Sus terminales de entrada fueron conectadas con los últimos puertos del controlador de carga solar, mientras que el broche de porta pila, soldada anteriormente en la salida del regulador, fue adherida a uno de los soportes de madera, inaugurando la estación de carga de baterías eléctricas. Su comprobación fue sencilla y corta. El LED del LM2596 se encendía, y la pantalla indicaba la corriente que alimentaba el pequeño dispositivo. La pila recargable podía colocarse y retirarse fácilmente por el usuario, sin riesgo de dañar el mecanismo debido a la fuerza o presión ejercida durante las conexiones.

Figura 19. Soldadura del broche porta pila al regulador LM2596

Tomada por el Equipo de Trabajo

Figura 20. LM2596 adherido al Sistema Fotovoltaico

Tomada por el Equipo de Trabajo

Figura 21. Estación de Recarga de Baterías

Tomada por el Equipo de Trabajo

Se adquirieron un cartón piedra y un par de bisagras. Con estos implementos se incorporó una cubierta sólida que aportó mayor profundidad y resistencia al generador ensamblado. Gracias a las bisagras, fue posible visualizar y ocultar los circuitos y sistemas internos de cada división del mecanismo. Finalmente, en la cara principal del generador se colocó, elaborada en fomi, la abreviatura del nombre del proyecto: EMBER, como detalle decorativo antes de ser presentado ante los maestros del Énfasis en Ciencias Exactas.

Figura 22. Tapa de Bisagra del generador abierta

Tomada por el Equipo de Trabajo

Figura 23. Generador Eléctrico Finalizado

Tomada por el Equipo de Trabajo

Figura 24. Generador Eléctrico entregado a los docentes de Ciencias Exactas

Tomada por el Equipo de Trabajo

Las pruebas locales iniciaron con el dispositivo ya finalizado. Con ayuda de uno de los teléfonos celulares de los integrantes del equipo de trabajo, ambos sistemas fueron comprobados. La efectividad, por parte de los puertos USB y de la estación de carga de la batería, demostraron logros positivos, en torno a los resultados esperados según la matematización del proyecto.

Figura 25. Pruebas del Sistema Mecánico a Nivel Local