Resumen

Este proyecto presenta el diseño e implementación de un sistema de cargador solar con paneles solares flexibles, adaptables a prendas portátiles y superficies no planas. Se utiliza tecnología emergente para construir paneles solares flexibles que recuperan energía en estas superficies. El sistema incluye un convertidor elevador “boost” CD-CD, un convertidor buck reductor y una tarjeta ESP32 que monitorea en tiempo real los datos de voltaje y corriente, enviándolos a la plataforma ThingSpeak. La energía recuperada se emplea para cargar diversos dispositivos, como teléfonos, audífonos y baterías portátiles. Se realizaron pruebas operativas bajo distintas condiciones de carga, confirmando que el sistema es capaz de captar y transformar la energía solar, incluso en situaciones de baja irradiancia.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Existe la necesidad de un sistema convertidor de energía DC-DC para solucionar la falta de energía eléctrica en sistemas aislados (isla) con acceso limitado a la red eléctrica y expuestos a irradiación solar. Este sistema permitirá aprovechar la energía solar mediante paneles solares instalados en superficies irregulares. Para ello, se requiere un diseño que conecte los paneles en serie para generar un voltaje entre 4.5 y 6 V, lo cual será el punto de partida para la regulación del voltaje. El sistema de regulación estará compuesto por dos convertidores de potencia que garantizarán la entrega eficiente de la energía generada.

Antecedentes

Las energías renovables han enfrentado barreras tecnológicas y económicas, pero hoy son fundamentales para el desarrollo sostenible. Las fuentes más comunes, como la solar, eólica e hidráulica, tienen como objetivo mitigar la contaminación local y global. En este contexto, la energía solar ha ganado relevancia debido a su capacidad para generar energía limpia y sostenible. [1]

En México, el Sistema Eléctrico Nacional (SEN) asegura el suministro a 47 millones de usuarios, con un consumo neto de 345,439 GWh en 2023, lo que representa un aumento del 3.5% respecto al año anterior [2]. La creciente demanda energética y la dependencia de dispositivos electrónicos impulsan la búsqueda de soluciones que garanticen un acceso constante a la energía, alineándose con los objetivos de la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible.

El desarrollo de tecnologías como los paneles solares flexibles ha permitido una mayor portabilidad y adaptación a diversas superficies, superando las limitaciones de los paneles tradicionales. Esto abre nuevas oportunidades para implementar cargadores solares portátiles que respondan a las necesidades energéticas actuales.

Las energías renovables han enfrentado barreras tecnológicas y económicas, pero hoy son fundamentales para el desarrollo sostenible. Las fuentes más comunes, como la solar, eólica e hidráulica, tienen como objetivo mitigar la contaminación local y global. En este contexto, la energía solar ha ganado relevancia debido a su capacidad para generar energía limpia y sostenible. [1]

En México, el Sistema Eléctrico Nacional (SEN) asegura el suministro a 47 millones de usuarios, con un consumo neto de 345,439 GWh en 2023, lo que representa un aumento del 3.5% respecto al año anterior [2]. La creciente demanda energética y la dependencia de dispositivos electrónicos impulsan la búsqueda de soluciones que garanticen un acceso constante a la energía, alineándose con los objetivos de la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible.

El desarrollo de tecnologías como los paneles solares flexibles ha permitido una mayor portabilidad y adaptación a diversas superficies, superando las limitaciones de los paneles tradicionales. Esto abre nuevas oportunidades para implementar cargadores solares portátiles que respondan a las necesidades energéticas actuales.

Objetivo

Objetivos (general y específicos)

General

• Desarrollar para finales del 2024 un sistema eficiente de paneles solares flexibles que integre convertidores de potencia DC-DC y un microcontrolador ESP32 para la recuperación y almacenamiento de energía en superficies irregulares por medio de un sistema WI-FI  para la alimentación de dispositivos móviles en Ixtlahuaca de Rayón, Estado de México.

Específicos

• Seleccionar paneles solares flexibles y convertidores de potencia adecuados para crear un sistema fotovoltaico eficiente.
• Caracterizar el sistema fotovoltaico.
• Desarrollar el análisis de carga para el acoplamiento de los paneles solares con el módulo de regulación de voltaje.
• Implementar el sistema de recuperación en superficies irregulares.
• Elaborar pruebas de operación y análisis de resultados.
• Crear un plan de negocios para inicios del 2025.

1.5 Hipótesis o Supuesto Metodológico 

Se podrá desarrollar para finales del 2024 un sistema de paneles solares flexibles que integre un convertidor de potencia DC-DC y un microcontrolador ESP32 para la recuperación de energía en superficies irregulares para la alimentación de dispositivos móviles en Ixtlahuaca de Rayón, Estado de México.

Justificación

El estado de México es la entidad federativa más poblada del país. En 2023 alrededor de 17,5 millones de personas residían en este estado.

El Estado de México, con aproximadamente 17.5 millones de habitantes en 2023, es la entidad federativa más poblada del país. Esta alta población se traduce en un considerable consumo eléctrico, siendo el Estado de México uno de los mayores consumidores, con un total de 4,172,746 MWh en consumo residencial, lo que representa el 11.69% del total nacional [3]

Para abordar esta creciente demanda, se busca optimizar el uso de la energía solar mediante paneles solares, una solución que ofrece sostenibilidad ambiental, independencia energética, ahorro económico a largo plazo y flexibilidad en su diseño y aplicación.

La implementación de un convertidor elevador “boost” DC-DC, junto con una tarjeta ESP32 para monitorear corriente y voltaje, representa un enfoque tecnológico avanzado. Esta combinación de componentes optimiza la conversión y el almacenamiento de energía solar, maximizando la eficiencia del sistema y garantizando una carga rápida y efectiva de dispositivos. Este enfoque no solo responde a las necesidades energéticas del Estado de México, sino que también contribuye al desarrollo sostenible en la región.

Hipótesis

Se podrá desarrollar para finales del 2024 un sistema de paneles solares flexibles que integre un convertidor de potencia DC-DC y un microcontrolador ESP32 para la recuperación de energía en superficies irregulares para la alimentación de dispositivos móviles en Ixtlahuaca de Rayón, Estado de México.

Método (materiales y procedimiento)

Este proyecto busca convertir energía solar a energía eléctrica mediante un sistema de paneles solares flexibles. 

La metodología utilizada en este trabajo se detalla en el ANEXO 1,la cual se basa en 9 fases del proyecto.

Fase 1. Se investigaron paneles solares flexibles y convertidores CD-CD mediante fuentes documentales

Fase 2. Se caracterizaron los paneles solares flexibles midiendo parámetros como voltaje y corriente, conectando las celdas en serie y paralelo para identificar el punto de máxima potencia.

Fase 3. Se centró en la caracterización eléctrica de los convertidores Boost y Buck.

Fase 4. Se analizaron los requerimientos de integración entre el sistema fotovoltaico y los convertidores

Fase 5. Se simularon los circuitos eléctricos en software como Multisim, optimizando el diseño para construir los prototipos físicos

Fase 6 y Fase 7. Consistieron en pruebas iniciales de integración, ajustes, y diseño modular de prototipos.

Fase 8. Se implementó el IoT ESP32 para adquisición de datos

Fase 9. Rediseño y optimización de prototipos para mejorar su modularidad.

3.1 DISEÑO

En la ANEXO 2 se presentan las cuatro secciones del sistema: 

1. El Sistema Fotovoltaico (SFV)
2. El Módulo de regulación de voltaje,
3. El Sistema de monitoreo IoT y
4. La Carga de dispositivos móviles.

3.2 Sistema solar fotovoltaico 

3.2.1 Paneles solares flexibles

Los paneles solares utilizados fueron del modelo Jiang,utilizan tecnología de triple unión de silicio amorfo, mejorando la eficiencia de conversión. Se simuló un circuito fotovoltaico en PSIM, evaluando parámetros críticos y obteniendo curvas I-V y P-V. Se realizaron pruebas físicas durante 11 horas para analizar el rendimiento del sistema.Las características eléctricas de los paneles, medidas bajo condiciones estándar de prueba (STC), se muestran el ANEXO 3.

3.2.2 Simulación paneles solares flexibles

El software PSIM es una herramienta para simular sistemas de electrónica digital y cuenta con un módulo para analizar paneles solares. En el ANEXO 4 se muestra el modelo simulado, que incluye un panel solar como fuente de energía, generando corriente (Ipv) y voltaje (Vpv). También se agregaron dos fuentes de voltaje para simular cambios en irradiancia y temperatura (1000 W/m² a 25°C), un capacitor para estabilizar fluctuaciones y medidores de corriente, voltaje y potencia para monitorear el rendimiento de sistema 

Posteriormente, se realizaron conexiones en serie de tres paneles solares para incrementar el voltaje, permitiendo así alimentar un convertidor adyacente que se describe en la sección III. Las curvas I-V y P-V obtenidas se presentan en el ANEXO 5, donde se observa que el punto de máxima potencia se alcanza a un voltaje de 5.03 V y una corriente de 0.194 A. En este punto, la potencia generada por los paneles es de aproximadamente 0.977 W.

3.2.3 Pruebas Físicas 

Se realizaron pruebas físicas de los paneles durante aproximadamente 11 horas, de 7 am a 6 pm, tomando mediciones cada 5 minutos de cada hora para observar la curva de irradiancia y el punto de máxima potencia (ANEXO 6). Esta curva muestra cómo varía la potencia según la irradiancia y la inclinación de los paneles, definida por la fórmula: 

Inclinación = (Grados de latitud) (0.9) + 29°.

3.3 Diseño de los prototipos 

3.3.1 Primer diseño

Durante la fase de diseño de los prototipos porta paneles solares, se desarrollaron bocetos preliminares con un enfoque modular, pensado para facilitar su montaje, desmontaje y adaptación a diversas superficies, como mochilas o prendas de vestir. Se prioriza la comodidad y la ligereza, asegurando que sean adecuados para el uso diario.En la etapa inicial de construcción, se optó por materiales accesibles, lo que resultó en dos versiones principales: una tira flexible que se ajusta a mochilas y a la espalda del usuario, y otra diseñada para capuchas de sudaderas, permitiendo su uso práctico en diferentes situaciones. Ambos prototipos integran tres paneles solares conectados en serie como se pueden ver en el ANEXO 11.

3.3.2 Re diseño

En esta fase se realizó una colaboración con expertos en materiales textiles para seleccionar tejidos adecuados para mitigar el aumento de temperatura de los paneles solares flexibles debido a la exposición prolongada al sol, se mejoró la estética como el funcionamiento.Para lograrlo se utilizaron los siguientes materiales:

• Tela: Se utilizó una mezcla de 40% algodón y 60% poliéster, ya que el algodón proporciona un mejor control de la temperatura.
• Manta térmica: Para evitar que el calor generado por los paneles incomode al portador.
• Hebillas de plástico de liberación lateral.
• Cierres

Los prototipos finales se muestran en el ANEXO 12.

3.4 Módulo de regulación de voltaje

En este trabajo se utiliza una combinación de convertidores DC-DC para gestionar eficientemente el voltaje en sistemas de energía solar. El convertidor Boost XL6009 eleva el voltaje de entrada de los paneles solares flexibles, que varía entre 5.5 y 6 V, a un rango de 11 a 12 V, dependiendo de la irradiancia. Posteriormente, el convertidor Buck XL2001 reduce este voltaje elevado a 5 V, proporcionando una salida estable adecuada para la carga segura de dispositivos móviles. 

Esta conjunción permite maximizar la eficiencia y garantizar un margen de seguridad, ya que la elevación inicial del voltaje facilita la regulación y protección de los dispositivos conectados. Ambos convertidores, con alta eficiencia y control de estabilidad, operan de manera complementaria para optimizar la gestión de energía en entornos con variaciones de voltaje. Las especificaciones técnicas de ambos se detallan en los ANEXOS 7 y 9, mientras que los diagramas eléctricos se pueden observar en los ANEXOS 8 y 10.

3.5  Sistema de monitoreo Iot

El sistema de monitoreo consta de tres paneles solares flexibles en serie que generan energía. Se han integrado sensores de corriente (basados en efecto Hall) y de voltaje para medir las características eléctricas. Estos datos son cruciales para evaluar el rendimiento bajo diversas condiciones de irradiancia.

Para procesar y transmitir la información, se utiliza una tarjeta ESP32 programada con Arduino, que envía las lecturas a la plataforma en la nube ThingSpeak a través de Wi-Fi. Esta plataforma permite visualizar en tiempo real los gráficos de corriente y voltaje generados como se puede observar en el Anexo 

La combinación de ESP32 y ThingSpeak facilita el monitoreo remoto, el almacenamiento y análisis de datos [6], permitiendo identificar patrones, detectar anomalías y optimizar el rendimiento del sistema fotovoltaico. Esto asegura un funcionamiento eficiente en diferentes condiciones ambientales.

3.6 Análisis de costo beneficio

En esta etapa del proyecto, el análisis de costo-beneficio se enfoca exclusivamente en los costos asociados al desarrollo del prototipo y los beneficios obtenidos a nivel experimental. No se consideran gastos relacionados con producción, distribución o implementación a gran escala, debido a que el objetivo principal es validar el diseño en una fase de prueba preliminar.

Costos del Prototipo

Componentes principales:

Paneles solares flexibles, convertidores DC-DC (Boost y Buck) y la tarjeta ESP32 para monitoreo.

Costos de desarrollo:Mano de obra, simulación y pruebas.

Gastos operativos: Materiales de laboratorio y energía utilizada.

Debido a que en esta etapa no se evalúa un retorno de inversión financiero, el valor del prototipo se encuentra en la generación de conocimiento técnico y experiencia práctica, que servirán como base para la optimización y escalamiento en futuras implementaciones, se mostrarán los datos de cada prototipo en el ANEXO 14 nos proporciona los costos de cada prototipo físico 

Galería Método

Resultados

Durante las pruebas de funcionamiento de los paneles solares, se evaluaron seis unidades bajo diferentes condiciones climáticas. Se obtuvieron corrientes de 0 a 360 mA y voltajes de 0 a 1.6 V, alcanzando sus valores máximos al mediodía. Los paneles se conectaron a resistencias de 20 ohms para simular una carga controlada y asegurar su eficiencia.

Se observó que el punto de máxima potencia fue alcanzado a las 12:00 horas, con una potencia total de 530 mW. A lo largo del día, el comportamiento de los paneles mostró un aumento progresivo de la potencia desde las 7:00 hasta el mediodía, seguido de una disminución debido a la menor absorción de luz solar.

En el diseño inicial de los prototipos (capucha y chaleco), se emplearon tres paneles solares en serie, con materiales que no resultaron adecuados, lo que llevó a un rediseño. Los prototipos finales incluyeron mejoras en los materiales, como telas térmicas y de algodón, integrando cinco paneles solares flexibles en la visera, capucha y chaleco.

Durante un día nublado, las mediciones mostraron fluctuaciones en el voltaje debido a las condiciones meteorológicas, pero el sistema mantuvo su capacidad de carga gracias a los convertidores de voltaje implementados. En días soleados, el sistema presentó un incremento gradual de voltaje, con fluctuaciones menores, asegurando un suministro eficiente de energía para dispositivos móviles.

Galería Resultados

Discusión

Al caracterizar los paneles solares flexibles nos dimos cuenta que la recuperación de energía solar disminuye considerablemente en función a los paneles solares policristalinos rígidos, lo cual nos llevó a implementar un sistema de recuperación conectado en serie para aumentar el voltaje que entraba al convertidor de potencia conmutado boost que eleva la tensión del sistema, por otra parte, el convertidor buck reduce la tensión de salida y la mantiene constante. Finalmente, la ESP32 manda los datos censados a ThingSpeak.

Conclusiones

Los paneles solares flexibles demostraron ser una buena opción debido a su versatilidad y capacidad de adaptación a superficies no planares, además de tener un buen desempeño bajo condiciones de baja irradiancia, cómo son los días nublados o sombreados parciales.

Por otro lado, mediante la implementación y regulación de los convertidores de voltaje Boost y Buck, logramos alcanzar el nivel de tensión necesario para la carga de dispositivos móviles, ya que el voltaje proporcionado inicialmente por un solo panel solar flexible era de 1.6 V a 2 V, un valor insuficiente para cumplir con nuestro objetivo principal. Para solucionar esto, se diseñó un arreglo en serie de tres paneles solares flexibles con el fin de incrementar el voltaje de entrada y permitir un funcionamiento adecuado de los convertidores. 

Bibliografía

[1]Naciones Unidas. (s.f.). ¿Qué son las energías renovables? Naciones Unidas. Recuperado el 20 febrero de 2024 de https://www.un.org/es/climatechange/what-is-renewable-energy

[2]Secretaría de Energía. (2024). Programa de desarrollo del sistema eléctrico nacional 2024-2038. Capítulo 3: Infraestructura para la generación. Ciudad de México: Secretaría de Energía. https://base.energia.gob.mx/PRODESEN2024/prodesen24-38cap3.PDF 

[3]Plataforma Nacional de Energía, Ambiente y Sociedad. (s. f.). Plataforma Nacional de Energía, Ambiente y Sociedad.Recuperado el 20 de marzo de 2024  https://energia.conacyt.mx/planeas/electricidad/demanda

[4] Higuera, J (2018). ¿Cómo funcionan las celdas solares? ¿Y cómo mejorar su funcionamiento? [Archivo PDF]. Recuperado el 21 de noviembre de 2023 de https://redsolar.ier.unam.mx/wp-content/uploads/2018/12/Como-funcionan-las-celdas-solares.pdf

[5] Moreno, H., Valderrama, F. F, Vega, M.H. (2011). Análisis, simulación y control de un convertidor de potencia DC-DC tipo boost. Unirioja.es. Recuperado el 6 de febrero de 2024 de https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/5038442.pdf

[6]Xukyo (2 octubre de 2020). Crear una interfaz web para controlar su ESP32 NodeMCU [Sitio web]. Recuperado el 2 de abril de 2024 de https://www.aranacorp.com/es/crear-una-interfaz-web-para-controlar-su-esp32-nodemc

Summary

This project presents the design and implementation of a solar charging system utilizing flexible solar panels, which are adaptable to wearable garments and irregular surfaces. Cutting-edge technology has been employed to develop flexible solar panels that efficiently capture energy on these surfaces. The system comprises a boost DC-DC converter, a buck converter, and an ESP32 module that monitors real-time voltage and current data, transmitting this information to the ThingSpeak platform. The recovered energy is utilized to charge various devices, including phones, headphones, and portable batteries. Operational tests conducted under diverse load conditions confirmed that the system effectively captures and converts solar energy, even in low-irradiance scenarios.

Research Question

Problem approach

There is a need for a DC-DC converter system to address the lack of electrical power in isolated (off-grid) systems with limited access to the electrical grid and exposure to solar irradiation. This system will harness solar energy through panels installed on irregular surfaces. A design is required to connect the panels in series to generate a voltage between 4.5 and 6 V, which will serve as the starting point for voltage regulation. The regulation system will consist of two power converters that will ensure the efficient delivery of the generated energy.

Background

Renewable energy sources have faced technological and economic challenges, but today they are essential for sustainable development. The most common sources, such as solar, wind, and hydropower, aim to reduce both local and global pollution. In this context, solar energy has gained prominence due to its ability to generate clean and sustainable power. [1]

In Mexico, the National Electric System (SEN) provides electricity to 47 million users, with a net consumption of 345,439 GWh in 2023, representing a 3.5% increase compared to the previous year. [2] The growing energy demand and reliance on electronic devices are driving the search for solutions that ensure constant access to energy, aligning with the goals of the 2030 Agenda for Sustainable Development.

The development of technologies like flexible solar panels has enabled greater portability and adaptability to various surfaces, overcoming the limitations of traditional panels. This creates new opportunities for implementing portable solar chargers to meet current energy needs.

Objective

General

• By the end of 2024, develop an efficient flexible solar panel system that integrates DC-DC power converters and an ESP32 microcontroller for energy recovery on irregular surfaces, utilizing a Wi-Fi system to power mobile devices in Ixtlahuaca de Rayón, State of Mexico.

Specific 

• Select appropriate flexible solar panels and power converters to create an efficient photovoltaic system.
• Characterize the photovoltaic system.
• Conduct a load analysis for coupling the solar panels with the voltage regulation module.
• Implement the energy recovery system on irregular surfaces.
• Conduct operational tests and analyze results.
• Develop a business plan by early 2025.

Justification

The State of Mexico, with approximately 17.5 million inhabitants in 2023, is the most populous federal entity in the country. This large population results in significant electricity consumption, making the State of Mexico one of the largest consumers, with a total residential consumption of 4,172,746 MWh, representing 11.69% of the national total. [3]  

To address this growing demand, the focus is on optimizing the use of solar energy through solar panels, a solution that offers environmental sustainability, energy independence, long-term cost savings, and design flexibility.

The implementation of a boost DC-DC converter, along with an ESP32 module for monitoring current and voltage, represents an advanced technological approach. This combination of components optimizes the conversion and storage of solar energy, maximizing system efficiency and ensuring fast, effective charging of devices. This approach not only meets the energy needs of the State of Mexico but also contributes to sustainable development in the region.

Hypothesis

By the end of 2024, it will be possible to develop a flexible solar panel system that integrates a DC-DC power converter and an ESP32 microcontroller for energy recovery on irregular surfaces to power mobile devices in Ixtlahuaca de Rayón, State of Mexico.

Method (materials and procedure)

This project aims to convert solar energy into electrical energy using a system of flexible solar panels.  

The methodology used in this work is detailed in APPENDIX 1, which is based on 9 project phases.  

Phase 1: Flexible solar panels and DC-DC converters were researched using documentary sources.  

Phase 2: The flexible solar panels were characterized by measuring parameters such as voltage and current, connecting the cells in series and parallel to identify the maximum power point.  

Phase 3: Focused on the electrical characterization of Boost and Buck converters.  

Phase 4: The integration requirements between the photovoltaic system and the converters were analyzed.  

Phase 5: Electrical circuits were simulated in software like Multisim, optimizing the design for the construction of physical prototypes.  

Phases 6 and 7: Involved initial integration testing, adjustments, and the modular design of prototypes.  

Phase 8: The ESP32 IoT system was implemented for data acquisition.  

Phase 9: Redesign and optimization of prototypes to improve modularity.

3.1 Design

APPENDIX 2 presents the four sections of the system:  

• The Photovoltaic System (PVS)  
• The Voltage Regulation Module  
• The IoT Monitoring System  
• Mobile Device Charging

3.2 Photovoltaic solar system

3.2.1 Flexible solar panels

The solar panels used were the Jiang model, which employs triple-junction amorphous silicon technology, improving conversion efficiency. A photovoltaic circuit was simulated in PSIM, evaluating critical parameters and generating I-V and P-V curves. Physical tests were conducted over 11 hours to analyze system performance. The electrical characteristics of the panels, measured under standard test conditions (STC), are shown in APPENDIX 3.

3.2.2 Flexible solar panels simulation

The PSIM software is a tool for simulating digital electronics systems and includes a module for analyzing solar panels. APPENDIX 4 shows the simulated model, which includes a solar panel as the energy source, generating current (Ipv) and voltage (Vpv). Two voltage sources were also added to simulate changes in irradiance and temperature (1000 W/m² at 25°C), along with a capacitor to stabilize fluctuations and current, voltage, and power meters to monitor system performance.  

Subsequently, three solar panels were connected in series to increase the voltage, allowing them to power an adjacent converter. The I-V and P-V curves obtained are shown in APPENDIX 5, where it can be seen that the maximum power point is reached at a voltage of 5.03 V and a current of 0.194 A. At this point, the power generated by the panels is approximately 0.977 W.

3.2.3 Physical tests

Physical tests of the panels were conducted over approximately 11 hours, from 7 a.m. to 6 p.m., with measurements taken every 5 minutes of each hour to observe the irradiance curve and the maximum power point (APPENDIX 6). This curve shows how power varies based on irradiance and the tilt of the panels, which is defined by the formula:  

Inclination = (Latitude in degrees) (0.9) + 29°.

3.3 Prototype design

3.3.1 Initial design

During the design phase of the solar panel prototypes, preliminary sketches were created with a modular approach aimed at simplifying assembly, disassembly, and adaptation to various surfaces, such as backpacks or clothing. Emphasis was placed on comfort and lightweight construction, ensuring they are suitable for daily use. In the initial construction phase, accessible materials were selected, resulting in two main versions: a flexible strip that conforms to backpacks and the user’s back, and another designed for sweatshirt hoods, allowing for practical use in different situations. Both prototypes incorporate three solar panels connected in series, as shown in APPENDIX 11.

3.3.2 Redesign

In this phase, collaboration with textile material experts took place to select suitable fabrics that would help mitigate the temperature increase of the flexible solar panels due to prolonged sun exposure. Both the aesthetics and functionality were enhanced. The following materials were used:

• Fabric: A blend of 40% cotton and 60% polyester was chosen, as cotton provides better temperature control.
• Thermal Blanket: This was included to prevent heat generated by the panels from discomforting the wearer.
• Plastic Side-release Buckles
• Fasteners

The final prototypes are presented in APPENDIX 12.

3.4 Voltage regulation module

This project employs a combination of DC-DC converters to efficiently manage voltage in solar energy systems. The XL6009 Boost converter raises the input voltage from the flexible solar panels, which ranges between 5.5 and 6 V, to a range of 11 to 12 V, depending on irradiance. Subsequently, the XL2001 Buck converter reduces this elevated voltage to a stable 5 V, making it suitable for the safe charging of mobile devices.

This combination maximizes efficiency and ensures a safety margin, as the initial voltage boost facilitates regulation and protection for the connected devices. Both converters operate complementarity with high efficiency and stability control, optimizing energy management in environments with varying voltage levels. Technical specifications for both are detailed in APPENDIX 7 and 9, while the electrical diagrams can be found in APPENDIX 8 and 10.

3.5  IoT monitoring system

The monitoring system consists of three flexible solar panels connected in series to generate power. Current sensors (based on the Hall effect) and voltage sensors have been integrated to measure the electrical characteristics. This data is essential for assessing performance under various irradiance conditions.

To process and transmit this information, an ESP32 board programmed with Arduino is utilized, sending the readings to the cloud platform ThingSpeak via Wi-Fi. This platform allows real-time visualization of the generated current and voltage graphs, as detailed in the appendix.

The combination of the ESP32 and ThingSpeak enables remote monitoring, data storage, and analysis, facilitating the identification of patterns, detection of anomalies, and optimization of the photovoltaic system’s performance. This ensures efficient operation under varying environmental conditions.

3.6 Cost-Benefit Analysis

In this phase of the project, the cost-benefit analysis focuses exclusively on the costs associated with the prototype development and the experimental benefits obtained. Expenses related to production, distribution, or large-scale implementation are not considered, as the primary goal is to validate the design during this preliminary testing phase.

Prototype Costs:

• Main Components: Flexible solar panels, DC-DC converters (Boost and Buck), and the ESP32 board for monitoring.
• Development Costs: Labor, simulation, and testing.
• Operational Expenses: Laboratory materials and energy consumed.

Since financial return on investment is not evaluated at this stage, the prototype’s value lies in generating technical knowledge and practical experience, which will serve as a foundation for optimization and scaling in future implementations. Data for each prototype is summarized in APPENDIX 14, detailing the costs of each physical prototype

Method Gallery

Results

During the operational testing of the solar panels, six units were evaluated under various weather conditions. The currents ranged from 0 to 360 mA, and the voltages varied from 0 to 1.6 V, reaching their peak values at noon. The panels were connected to 20-ohm resistors to simulate a controlled load and ensure their efficiency.

The maximum power point was reached at 12:00 PM, with a total output of 530 mW. Throughout the day, the performance of the panels demonstrated a progressive increase in power from 7:00 AM until noon, followed by a decline due to reduced sunlight absorption.

In the initial design of the prototypes (hood and vest), three solar panels were arranged in series, but the materials used were inadequate, leading to a redesign. The final prototypes incorporated enhancements in materials, such as thermal and cotton fabrics, integrating five flexible solar panels into the visor, hood, and vest.

On a cloudy day, measurements showed fluctuations in voltage due to weather conditions; however, the system maintained its charging capability thanks to the implemented voltage converters. On sunny days, the system exhibited a gradual increase in voltage, with minimal fluctuations, ensuring an efficient power supply for mobile devices.

Results Gallery

Discussion

Upon characterizing the flexible solar panels, we found that their solar energy recovery significantly decreases compared to rigid polycrystalline panels. This observation led us to implement a series-connected recovery system to increase the voltage entering the Boost converter, which elevates the system’s voltage. On the other hand, the Buck converter reduces the output voltage and maintains it at a constant level. Finally, the ESP32 sends the collected data to ThingSpeak.

Conclusions

Flexible solar panels have proven to be a viable option due to their versatility and adaptability to non-planar surfaces. They also demonstrate good performance under low irradiance conditions, such as cloudy or partially shaded days.

Furthermore, through the implementation and regulation of the Boost and Buck voltage converters, we achieved the necessary voltage levels for charging mobile devices. The initial voltage provided by a single flexible solar panel ranged from 1.6 V to 2 V, which was insufficient to meet our primary objective. To address this, a series arrangement of three flexible solar panels was designed to increase the input voltage and enable the proper operation of the converters.

Lastly, the IoT monitoring system with the ESP32 board facilitated real-time supervision of the system’s performance via the ThingSpeak platform, allowing for immediate visualization of current and voltage variations.

Bibliography

[1]Naciones Unidas. (s.f.). ¿Qué son las energías renovables? Naciones Unidas. Recuperado el 20 febrero de 2024 de https://www.un.org/es/climatechange/what-is-renewable-energy

[2]Secretaría de Energía. (2024). Programa de desarrollo del sistema eléctrico nacional 2024-2038. Capítulo 3: Infraestructura para la generación. Ciudad de México: Secretaría de Energía. https://base.energia.gob.mx/PRODESEN2024/prodesen24-38cap3.PDF 

[3]Plataforma Nacional de Energía, Ambiente y Sociedad. (s. f.). Plataforma Nacional de Energía, Ambiente y Sociedad.Recuperado el 20 de marzo de 2024  https://energia.conacyt.mx/planeas/electricidad/demanda

[4] Higuera, J (2018). ¿Cómo funcionan las celdas solares? ¿Y cómo mejorar su funcionamiento? [Archivo PDF]. Recuperado el 21 de noviembre de 2023 de https://redsolar.ier.unam.mx/wp-content/uploads/2018/12/Como-funcionan-las-celdas-solares.pdf

[5] Moreno, H., Valderrama, F. F, Vega, M.H. (2011). Análisis, simulación y control de un convertidor de potencia DC-DC tipo boost. Unirioja.es. Recuperado el 6 de febrero de 2024 de https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/5038442.pdf

[6]Xukyo (2 octubre de 2020). Crear una interfaz web para controlar su ESP32 NodeMCU [Sitio web]. Recuperado el 2 de abril de 2024 de https://www.aranacorp.com/es/crear-una-interfaz-web-para-controlar-su-esp32-nodemc