Experimento de celda solar para niños: luz y ángulo

Este resultado sorprende a casi todos, incluidos los adultos. Saca un panel solar al sol fuerte, mide su voltaje, métete a la casa y vuelve a medir. El voltaje baja poquito. Ahora mide la corriente: adentro se desploma a un puñado de por ciento. Ese par de lecturas es el corazón de un buen experimento de celda solar para niños, porque la idea que casi todos cargamos, que más luz significa más voltaje, está equivocada. Más luz significa más corriente. Cuando un niño sabe cuál número se mueve, puede razonar sobre techos, calculadoras, satélites y el dato raro de que un panel caliente rinde menos que uno frío.

Puntos clave

• Vas a medir voltaje en circuito abierto y corriente de cortocircuito de un panel solar chico con distintos niveles de luz y distintos ángulos, y a graficar corriente contra ángulo.
• Enseña el efecto fotovoltaico, la ley del coseno para superficies inclinadas, y por qué una sombra parcial arruina todo el panel.
• Edad ideal: 9 a 15 años. El multímetro es lo que convierte esto en experimento y no en juguete.
• La falla típica es un panel barato que no alcanza para mover un motorcito. Mide corriente primero; no juzgues el panel por si el motor gira.
• Nunca corriente de la red. Un panel solar es una fuente de clase pila y jamás se conecta a algo que va al enchufe.

Lo que vas a necesitar para el experimento de celda solar para niños

Artículo	Cuánto	Dónde conseguirlo	Si no lo tienes
Panel solar chico, 2–6 V, 100 mA o más	1	Tienda de electrónica o Mercado Libre	Abre una lámpara solar de jardín de ferretería; el panel de adentro suele ser de 2 V
Multímetro con escala de mA	1	Ferretería	Nada lo sustituye; préstalo
Cables con caimanes	2	Tienda de electrónica	Alambre pelado y torcido
Motorcito de corriente directa o un LED de 2 V	1	Juguete muerto	Un zumbador, que además se oye
Transportador y un cartón firme	1	Papelería	Plantilla de ángulos impresa y cartón doblado
Cinta métrica	1	Cajón de la cocina	Una regla y paciencia
Lámpara de escritorio	1	Cualquier cuarto	Sol directo, manteniendo condiciones estables
Papel milimétrico u hoja de cálculo	1	Papelería	Papel y regla
Una tarjeta opaca para hacer sombra	1	Papelería	Cualquier recorte

Tiempo: preparación 10 min, experimento 40 min, limpieza 2 min Costo: lo que cuestan dos cafés si abres una lámpara de jardín; más si compras panel y multímetro Nivel de desorden: bajo

Haz el experimento

Paso 1 — Mide voltaje con luz fuerte y con luz pobre

Pon el multímetro en volts de corriente directa y conéctalo al panel, sin nada más. Anota la lectura al sol directo o bajo la lámpara a 10 cm, y después en un cuarto en penumbra.

Lo que deberías ver: baja, pero poco. Un panel que marca 2.1 V al sol puede marcar 1.8 V con luz de cuarto. Ese es el voltaje en circuito abierto, y depende muy poco del nivel de luz.

Paso 2 — Ahora mide corriente en las mismas condiciones

Pasa el multímetro a la escala de mA y conéctalo directo al panel, lo que mide corriente de cortocircuito. Repite con luz fuerte y con luz pobre.

Lo que deberías ver: un desplome. Un panel que da 120 mA al sol puede dar 3 mA con luz de cuarto: 40 veces menos, en las mismas condiciones que casi no movieron el voltaje. Anota los dos pares de números uno al lado del otro. Ese contraste es el experimento.

Paso 3 — Cambia la distancia a la lámpara

Mantén el panel plano y de frente a la lámpara. Mide corriente a 10, 20, 30, 40 y 60 cm, con el cuarto oscuro para que la lámpara sea la única fuente.

Lo que deberías ver: la corriente cae rápido, como uno sobre la distancia al cuadrado una vez que te alejas unos anchos de lámpara. Al duplicar la distancia queda cerca de la cuarta parte.

Paso 4 — Inclina el panel en ángulos conocidos

Vuelve a una distancia fija. Con el transportador y el cartón, sostén el panel a 0°, 15°, 30°, 45°, 60° y 75° respecto a mirar la luz de frente. Anota la corriente en cada ángulo.

Lo que deberías ver: la corriente sigue de cerca el coseno del ángulo. A 60° deberías obtener cerca de la mitad del valor de 0°, porque cos 60° = 0.5. Grafica corriente contra ángulo y la forma es inconfundible.

Paso 5 — Tapa una tira y mira cómo se detiene todo

Observa el panel de cerca: casi todos están divididos en varias celdas angostas conectadas en serie. Tapa solo una de esas tiras con la tarjeta, dejando el resto a plena luz.

Lo que deberías ver: la salida cae mucho más que la fracción que tapaste. Sombrear un cuarto del panel puede quitarle casi toda la corriente, porque las celdas están en serie y la más oscura estrangula la cadena. Por eso la sombra de una rama importa tanto en un techo real.

Paso 6 — Conecta una carga y saca los watts

Conecta el motorcito al panel a plena luz. Con el multímetro en serie, lee la corriente; después pásalo a leer el voltaje sobre el motor mientras gira. Multiplica.

Lo que deberías ver: los dos números son menores que el voltaje en circuito abierto y la corriente de cortocircuito de antes. Es normal y es importante: un panel entrega su potencia máxima en algún punto intermedio, no en ninguno de los extremos.

Qué está pasando en realidad

Una celda solar es un diodo semiconductor grande y delgado. En el silicio, un fotón que carga más de 1.12 electronvolts, lo que significa cualquier longitud de onda menor a unos 1,100 nanómetros, arranca un electrón de su enlace y deja un hueco con carga positiva. La celda tiene un campo eléctrico propio en la unión entre sus capas con distinto dopaje, y ese campo barre los electrones hacia un lado y los huecos hacia el otro. Conecta un cable y tienes corriente. El panorama de fotovoltaica del Departamento de Energía de Estados Unidos describe el mismo mecanismo a escala de módulo.

Ahora los dos números que midieron. La corriente de cortocircuito la fija casi por completo cuántos fotones útiles llegan por segundo, así que es casi proporcional a la irradiancia. El voltaje en circuito abierto lo fija la unión misma y depende de la luz solo de forma logarítmica, y por eso casi no se movió. Una celda de silicio da entre 0.5 y 0.6 V al sol, sin importar si ese sol es brillante o apenas suficiente. Tu panel de 2 V son cuatro celdas en serie.

El resultado del coseno del Paso 4 no es de la celda: es geometría. Un panel inclinado intercepta el haz sobre un área proyectada de A·cos θ, así que la potencia que le llega cae con el coseno del ángulo. PVEducation explica la radiación solar sobre una superficie inclinada en su versión completa, incluyendo por qué los arreglos fijos se inclinan cerca de la latitud del sitio.

Vale corregir dos creencias comunes. Primero, los paneles no necesitan calor: necesitan fotones, y el voltaje de celda baja cuando la temperatura sube, entre 0.3 y 0.45 por ciento de la salida por cada grado Celsius en silicio. Un panel a 65 °C produce bastante menos que el mismo panel a 25 °C con la misma luz, y por eso las especificaciones se dan a 1,000 W/m² y 25 °C, como detalla el DOE en su página de rendimiento. Segundo, nadie esconde un panel de 90 por ciento de eficiencia. Shockley y Queisser calcularon en 1961 que una celda de una sola unión no puede pasar de cerca del 33 por ciento, porque los fotones por debajo de la banda prohibida atraviesan sin hacer nada y el exceso de energía de los fotones azules se vuelve calor. Los módulos comerciales de silicio llegan a poco más de 20. La brecha entre 23 y 33 es ingeniería; la de 33 a 100 es física.

Cómo explicárselo a tu hijo

De 5 a 8 años

El panel se come la luz y la convierte en empujón. Sostenlo frente a la ventana y deja que escuche al motorcito acelerar. Tápale un pedazo con la mano y que lo oiga frenarse. Déjalo perseguir el punto más brillante del cuarto: el sonido se vuelve un medidor de luz.

La pregunta útil a esta edad no es cómo funciona, sino dónde. Caminen por la casa con el motor zumbando: junto a la ventana, en el pasillo, bajo la lámpara, dentro del refrigerador abierto. El patrón lo encuentra solo.

De 9 a 12 años

Presenta los volts como “qué tan fuerte es el empujón” y los amperios como “cuánto está fluyendo”. Después muéstrale su propia tabla de los Pasos 1 y 2 y pregúntale qué columna cambió cuando cambió la luz. Casi todos predicen el voltaje. La tabla dice corriente. Equivocarse en papel vale más que haber adivinado bien.

Luego dale cos 60° = 0.5 y que compare sus propios datos de ángulo con eso. Para otra entrada al mismo tema, nuestra nota sobre cómo funcionan los paneles solares cubre el lado del módulo.

De 13 en adelante

Dale el panorama completo: una celda es una fuente de corriente en paralelo con un diodo, así que su curva corriente-voltaje es plana a voltaje bajo y luego se dobla. El producto de V e I vale cero en los dos extremos y tiene un máximo en el medio, en lo que los ingenieros llaman el punto de máxima potencia. La extensión que vuelve esto una investigación de verdad: conecta un potenciómetro o un juego de resistencias fijas como carga, registra V e I con cada una, y grafica la curva I-V y la curva de potencia. Ese pico es el número que un inversor real persigue toda su vida. Compáralo con el experimento accesible de celda fotovoltaica para ver el mismo tema con otro montaje.

La pregunta que debes hacer: “Si ponemos dos de estos paneles uno al lado del otro, ¿qué número se duplica, los volts o los amperios? ¿Y si los conectamos uno detrás del otro?”

Por qué enseñar esto temprano vale la pena

La diferencia entre voltaje y corriente es la idea más útil de la electricidad básica, y también la que la escuela suele enseñar como fórmula en vez de como observación. Un chico que vio un número quedarse quieto mientras el otro se desplomaba tiene un agarre que la definición no da. El mismo razonamiento reaparece en pilas, en cargadores y en cualquier conversación sobre renovables a escala de red.

El coseno paga dos veces: en trigonometría, donde suele aparecer como abstracción, y en ciencias de la Tierra, donde el coseno del ángulo solar es la razón real de que existan las estaciones. Después de medirlo, “el sol está más bajo en invierno” deja de ser una frase que memorizar.

Una tarde no cambia una trayectoria. El marco ICAP de Chi y Wylie ordena el aprendizaje por qué tan activamente participa quien aprende, y construir explicaciones le gana tanto a hacer como a mirar. El valor está en graficar y discutir por qué el voltaje no se movió. Y el marco K-12 del National Research Council nombra “analizar e interpretar datos” entre sus prácticas centrales, que es exactamente el Paso 4.

¿Y en América Latina?

La región tiene el mejor recurso solar del planeta y eso cambia el experimento. El desierto de Atacama en Chile registra la irradiancia más alta de la Tierra, y las plantas del norte grande chileno se construyeron por eso. En el altiplano boliviano y en Quito, la altitud y la latitud baja dan mediodías con el sol casi vertical, así que la lectura a 0° es mucho más alta que la de Buenos Aires en invierno. Si viven arriba de los 2,000 metros, midan en dos épocas del año: la diferencia es grande y es dato propio.

Dónde comprar: paneles de hobby en Steren en México, Vistrónica en Colombia y Mercado Libre en toda la región. La ruta barata y universal es la lámpara solar de jardín de ferretería; adentro hay un panel de 2 V, una pila recargable y un LED, y los tres sirven. Que un adulto la abra, porque los bordes del plástico y de la celda cortan.

Para la escuela: en México el tema entra en Saberes y Pensamiento Científico de la SEP; en Chile las Bases Curriculares de Física de 1° medio incluyen transformaciones de energía; en Colombia los estándares de Ciencias Naturales de 8° a 11° tratan energía y radiación; en Argentina los Núcleos de Aprendizajes Prioritarios piden trabajar con fuentes de energía. Una gráfica de corriente contra ángulo con datos propios es un proyecto de feria completo, y los jurados premian datos medidos sobre carteles bonitos.

Antes de empezar: lo que los papás deben saber

Mejor edad	9 en adelante para la parte de medición. De 5 a 8 funciona la versión del motorcito y la ventana, sin números.
Supervisión	Ligera. El trabajo del adulto es mantener la distancia de la lámpara constante y evitar que alguien mire al sol para comprobar que brilla.
Peligros reales	Ninguno fuera del cuidado normal. El foco de la lámpara quema los dedos. No miren al sol en ningún momento, y no usen una lupa para concentrar luz sobre el panel: puede quemar el encapsulado y provocar fuego.
No hagas esto	No conectes el panel a nada que vaya al enchufe, ni a un puerto USB ni a un celular. No uses un panel agrietado de una lámpara rota: los bordes de la celda expuesta cortan.

Cuando no funciona

• El motor no gira ni al sol. Casi todos los motorcitos piden más corriente de la que da un panel chico. Comprueba con el multímetro: si hay corriente y no hay giro, el panel está bien. Usa un LED, o dale un empujoncito al eje.
• La corriente salta adentro de la casa. Las lámparas de la red parpadean al doble de la frecuencia de línea. Usa sol para la parte del ángulo, o un foco incandescente, que tiene inercia térmica.
• La curva del coseno sale rara en ángulos grandes. Está llegando luz reflejada de una pared o de una mesa clara. Pon tela oscura detrás y debajo y repite.
• El voltaje se lee bien y la corriente marca cero. En casi todos los multímetros la entrada de corriente es otro conector, y su fusible interno se quema fácil. Cambia la punta roja y revisa el fusible.

Para llevarlo más lejos

Una variable, una gráfica. Fija todo menos el ángulo, mide corriente cada 5° de 0° a 85°, y grafica tu corriente y la curva del coseno en los mismos ejes. Donde se separan es lo interesante: cerca de 80° el vidrio empieza a reflejar en vez de transmitir.

Sigue un día real. Pega el panel plano en el alféizar, lee corriente de cortocircuito cada 30 minutos de la mañana a la noche, y grafícalo. Después repite con el panel inclinado a tu latitud y compara las áreas bajo las dos curvas. Esa es la decisión de ingeniería detrás de cualquier arreglo solar fijo.

Temperatura, a propósito. Toma dos lecturas con la misma luz, una con el panel a temperatura ambiente y otra tras 20 minutos al sol con un termómetro pegado atrás. El efecto es chico y real, y encontrarlo exige cuidado.

Qué observar en los próximos 3 meses

• Semana 4: nota el panel solar de un parquímetro, de un señalamiento de carretera o de una calculadora y pregunta de qué tamaño tendría que ser.
• Mes 2: la distinción entre voltaje y corriente aparece en otro lado, casi siempre en una pregunta sobre por qué una batería portátil se mide en miliamperios-hora.
• Mes 3: predice el efecto de la sombra o del ángulo antes de probar, y habla de la altura del sol y no de su “fuerza” cuando explica las estaciones.

Preguntas frecuentes

¿Qué panel compro para esto?

Cualquiera de 2 V o más y por lo menos 100 mA. Uno de 5 V y 1 W para robótica de hobby es ideal. Evita las celditas de calculadora: sus corrientes son tan chicas que el efecto del ángulo no se distingue.

¿Hace falta sol de verdad?

Para comparar luz fuerte con luz pobre, sí, porque ninguna lámpara doméstica se acerca a los 1,000 W/m². Para ángulo y distancia la lámpara de escritorio es mejor, porque se queda quieta y el sol no.

¿Por qué rinde menos detrás de la ventana?

El vidrio absorbe y refleja parte del espectro, y casi todo el vidrio moderno bloquea algo de infrarrojo. Espera una caída de 10 a 20 por ciento, y mídela.

Mi hijo preguntó si los paneles solares funcionan en la Luna. ¿Funcionan?

Mejor que en la Tierra, porque no hay atmósfera que absorba ni disperse la luz. El problema allá es la temperatura extrema y el polvo abrasivo, no la falta de luz. Es buena pregunta y merece respuesta en serio.

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Sobre el autor

Ricky Flores es el fundador de HiWave Makers e ingeniero eléctrico con más de 15 años de experiencia desarrollando tecnología de consumo en Apple, Samsung y Texas Instruments. Escribe sobre cómo los niños aprenden a construir, pensar y crear en un mundo saturado de tecnología. Lee más en hiwavemakers.com.

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Fuentes

1. U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. “Photovoltaics.” https://www.energy.gov/eere/solar/photovoltaics
2. U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. “Solar Photovoltaic Performance and Efficiency Basics.” https://www.energy.gov/eere/solar/solar-performance-and-efficiency
3. PVEducation. “Solar Radiation on a Tilted Surface.” PVCDROM. https://www.pveducation.org/pvcdrom/properties-of-sunlight/solar-radiation-on-a-tilted-surface
4. PVEducation. “Air Mass.” PVCDROM. https://www.pveducation.org/pvcdrom/properties-of-sunlight/air-mass
5. Shockley, W., & Queisser, H. J. (1961). “Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells.” Journal of Applied Physics, 32(3), 510–519. doi:10.1063/1.1736034
6. Chi, M. T. H., & Wylie, R. (2014). “The ICAP framework: Linking cognitive engagement to active learning outcomes.” Educational Psychologist, 49(4), 219–243. doi:10.1080/00461520.2014.965823
7. National Research Council. (2012). A Framework for K-12 Science Education. National Academies Press. doi:10.17226/13165
8. U.S. Energy Information Administration. “Solar explained.” https://www.eia.gov/energyexplained/solar/