Construye una estación USB con mini panel solar: dimensiona bien, elige componentes seguros, cablea sin errores y valida energía con pruebas y métricas.
Este proyecto nace de una escena cotidiana: al final de la jornada, varios teléfonos en tu escuela llegan con 10% de batería. Un contacto de pared no siempre está disponible ni es seguro para exteriores. Diseñarás e instalarás una estación de carga solar que funcione con un mini panel fotovoltaico, almacene energía durante el día y entregue 5 V USB por la tarde. Lo valioso no es solo “que cargue”: es entender por qué carga, cuánto puede entregar, cómo medirlo y cómo escalar el diseño con seguridad.
Este es el Artículo 6 de la serie Proyectos de Energía Solar para Estudiantes. Llega después de: ¿Qué es la energía solar y cómo funciona?, la comparativa Térmica vs. Fotovoltaic, el proyecto Horno solar con cartón y papel aluminio, la Lámpara solar con botellas recicladas y calentar el el agua al Sol con botella PET. Hoy diseñarás e instalarás una estación de carga solar que funcione para cargar tu celular.
Una estación solar portátil reduce la dependencia de extensiones eléctricas (riesgo y desorden), enseña energía limpia aplicada y ofrece un servicio útil para estudiantes. Con un solo módulo de 10–20 W puedes cargar uno o dos celulares al día; si validas bien el desempeño, sabrás cuándo conviene aumentar panel o batería para más usuarios. Este artículo te guía desde el por qué hasta la validación con datos, evitando atajos que terminan en proyectos bonitos pero inservibles.
Aprenderás a dimensionar (Wh, HSP y Performance Ratio), a elegir componentes (panel, controlador/cargador, batería, convertidor DC-DC, protecciones), a cablear y proteger un sistema en corriente directa de baja tensión, y a medir resultados (voltaje, corriente y energía) para justificar mejoras. Entrenarás criterio para responder preguntas prácticas: ¿Cuánto puedo cargar realmente? ¿Qué cuello de botella tengo hoy? ¿Cómo lo arreglo sin gastar de más?
El flujo de energía es siempre el mismo:
Sol → Panel FV (CD) → Control de carga / cargador de batería → Batería → Convertidor DC-DC a 5 V (USB) → Celular
Panel FV: conviene entre 10–20 W para una estación individual/doble.
Cargador de batería: si usas Li-ion 18650 (3.7 V), un cargador con protección (por ejemplo, TP4056 con BMS integrado) es el cerebro mínimo. Para LiFePO₄ (3.2 V), usa cargador específico a esa química.
Batería: 18650 con BMS (2,000–3,500 mAh) o paquete LiFePO₄ 3.2 V / 3–6 Ah (más segura y durable).
DC-DC 5 V: convertidor step-up/step-down estable (salida USB 5 V, 1–2 A).
Protecciones: fusible en serie con batería, calibre de cable correcto, conectores seguros (MC4 en panel, XT60/JST en baja tensión), y puesta a tierra del chasis metálico si existe.
Idea fuerza: primero aseguras carga/almacenamiento; después, regulas a 5 V.
Supón que quieres cargar un celular entre 20% y 80% al final del día. Un teléfono típico consume 7–12 Wh para ese salto (depende de batería y eficiencia). Tomemos 10 Wh útiles como objetivo diario.
La energía que llega a tu batería no es la potencia del panel multiplicada por horas de sol sin más. Hay pérdidas (temperatura, cables, conversión, desajuste). Usa:
: potencia nominal del panel (W).
HSP: Horas Sol Pico (en muchas zonas urbanas 4–5 h como guía).
PR (Performance Ratio): factor de pérdidas. En sistemas pequeños usa 0.70–0.80 para no sobreestimar.
Ejemplo 1 (mínimo viable): panel 10 W, HSP=5, PR=0.75 →
Tras conversiones a 5 V y pérdidas adicionales, ~25–30 Wh útiles es razonable. Alcanzas 1–2 cargas parciales.
Ejemplo 2 (cómodo para dos usuarios): panel 20 W →
Útiles a 5 V: ~50–60 Wh. Permite 2–4 cargas parciales (según teléfonos).
Si tu meta diaria es 20 Wh en USB, considera que convertir de 3.2–3.7 V a 5 V no es 100% eficiente. Supón η ≈ 0.85:
Con 18650 (3.7 V):
Podrías usar dos o tres 18650 en paralelo (2.5–3.5 Ah c/u) con BMS.
Con LiFePO₄ (3.2 V):
Un pack 3.2 V/6–8 Ah rinde y dura más ciclos.
Conclusión: para un prototipo sencillo, 1 celda 18650 (2,600–3,000 mAh) sí funciona, pero su autonomía es limitada. Si buscas 2–4 teléfonos al final del día, usa dos o tres celdas en paralelo (con BMS) o LiFePO₄ de más capacidad.
En proyectos educativos conviene privilegiar piezas estables y seguras más que el último gadget.
Panel 10–20 W, 6–9 Vmp: tamaño manejable y suficiente voltaje para cargar a medio día.
Cargador
Li-ion: módulo TP4056 con protección (corte por sobrecarga/sobredescarga/cortocircuito).
LiFePO₄: cargador específico (3.6–3.65 V CC, perfil adecuado).
Batería:
18650 (marca reconocida, con BMS si haces pack).
LiFePO₄: mayor seguridad térmica y vida útil (ideal en cajas plásticas expuestas al sol).
DC-DC 5 V (USB): elevador/buck-boost con salida 5 V regulada, 2 A y protecciones (limitación de corriente, térmica).
Protecciones: fusible de 3–5 A en serie con batería, portafusible accesible, cables AWG 18–16 según longitudes y corrientes, conectores MC4 en el lado del panel.
Caja y mecánica: caja estanca IP-rated, prensaestopas, disipación básica para el DC-DC, soporte con inclinación≈latitud y orientación sur (hemisferio norte) o norte (hemisferio sur).
Detalle fino: evita sobredimensionar el inversor AC (de hecho, no necesitas ninguno para USB). Cada conversión extra es una pérdida que reduce tus Wh útiles.
Fija el panel al soporte con su inclinación. Dentro de la caja, coloca el cargador y el DC-DC 5 V en una placa base (acrílico o fenólica). Cablea panel → cargador siguiendo polaridad. Del cargador, B+ y B- hacia la batería (o portabatería). Desde la batería, pasa por fusible y entra al DC-DC 5 V. Saca un puerto USB-A en el frontal. Antes de cerrar, mide en vacío 5.0 V ± 2% en el puerto.
Por qué así: el cargador “gobierna” la batería; el DC-DC solo toma energía después de la protección. El fusible protege ante errores y cables pellizcados.
Si tu caja estará fija en un pasillo, agrega un interruptor visible y un voltímetro pequeño (3–30 V DC) en el frontal; así los usuarios sabrán si hay energía disponible. Para varias salidas, monta un hub USB pasivo de 2 puertos con etiquetas de consumo (“máx. 1 A por puerto”). En proyectos avanzados, integra un medidor USB (tipo coulomb-meter) para contabilizar Wh entregados.
Trabajas con baja tensión, pero corrientes altas en DC mal gestionadas calientan cables y conectores. Respeta colores (rojo +, negro −), usa AWG acorde a las corrientes y longitudes, y protege todas las derivaciones con fusibles. Asegura ventilación de la caja (respiraderos con malla) o distribuye térmicamente el DC-DC para evitar throttling. No expongas la batería al sol directo: la caja va a la sombra del panel o aislada.
La estación no se “aprueba” porque enciende. Se aprueba porque entrega energía medida y cumple su objetivo.
Curva de carga diurna: Conecta el panel en exterior 5–6 h. Anota cada hora el voltaje de batería.
Entrega a USB: Conecta un cargador USB de carga constante (1 A a 5 V ≈ 5 W) durante 1–2 h y mide corriente con un probador USB.
Balance diario: suma Wh cargados vs Wh entregados. Si tu PR real es muy bajo, revisa sombras, orientación, cables finos o pérdidas en el DC-DC.
Prueba de usuarios reales: deja dos teléfonos 30–40 min cada uno. Registra porcentajes antes/después, modelos y estado de la batería (teléfonos con 20–60% cargan más rápido que del 80 al 100%).
Resultado esperado (panel 20 W, día despejado): almacenar 50–60 Wh útiles y entregar dos cargas parciales sólidas. Con 10 W, espera 25–30 Wh útiles y una a dos cargas parciales.
Ángulo y orientación: la mejora “gratis” más grande. Un error de 15–20° puede costarte 10–15% de energía.
Sombras parciales: una sombra “corta” el string (por diodos bypass), pero aún así castiga mucho la potencia. Reubica.
DC-DC de calidad: algunos elevadores baratos “caen” bajo carga. Elige módulos con datasheet y disipación.
LiFePO₄ si el presupuesto lo permite: más estable térmicamente; tolera ciclos con menos degradación.
MPPT mini (opcional): en potencias de 10–20 W la ganancia real puede ser modesta, pero en climas calientes compensa caída de voltaje por temperatura.
Mantenimiento: limpia el panel cada 2–4 semanas; verifica aprietes, revisión visual de cables, prueba del fusible. Si notas olor a plástico o calentamiento inusual, detén la operación y audita el DC-DC y las conexiones.
Problemas típicos y pistas:
Carga USB se interrumpe: caída de tensión por cables finos o DC-DC inestable → usa cables cortos y convertidor mejor.
Batería nunca “llena”: poco sol real, mala orientación o cargador inadecuado para la química → corrige geometría o cambia cargador.
Se calienta la caja: disipación insuficiente del DC-DC → agrega pad térmico o malla de ventilación.
Si tu validación demuestra demanda, sube a 40–60 W de panel y un pack LiFePO₄ de 12 V (4s) con convertidor buck USB (5 V, 4–6 A) y módulo de distribución con protección por puerto. Añade señalética, cableado interno canalizado y un contador de Wh en el frontal. Documenta tiempos y consumo promedio por usuario; esa evidencia atrae apoyo escolar para instalar dos o tres estaciones.
Lo que hoy montaste no es una maqueta: es una micro-infraestructura. Sabes cuánta energía entra, cuánta sale y por qué. Sabes qué mejorar primero si falta rendimiento. En el siguiente proyecto de preparatoria explorarás otro uso directo y tangible: un ventilador solar con motor reciclado, ideal para hablar de potencia instantánea, torque y arranque en corriente directa.
Todos los campos son obligatorios *
Escríbenos a
[email protected]
