Obtención de energía eléctrica de fuentes naturales de calor aplicando el efecto seebeck peltier

56  13  Descargar (0)

Texto completo

(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. Q uí. m. ica. ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL. g.. OBTENCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE FUENTES NATURALES DE. de. In. CALOR APLICANDO EL EFECTO SEEBECK-PELTIER. ca. TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:. Autoras:. Bi bl. io. te. INGENIERO AMBIENTAL. Br. CARMEN ELIZABETH ESPEJO TAPIA. Br. CRISTY MARGOT PLASENCIA CHAVEZ. ASESOR:. Dr. CROSWEL EDUARDO AGUILAR QUIROZ. TRUJILLO – PERÚ 2018. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. JURADO CALIFICADOR. In. g.. Q uí. m. PRESIDENTE. ica. Dr. Feliciano Bernui Paredes. de. Ms. Walter Moreno Eustaquio. Bi bl. io. te. ca. SECRETARIO. Dr. Croswel Eduardo Aguilar Quiroz ASESOR. I Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DEDICATORIA A Dios, por darme la vida y ayudarme a superar todos los obstáculos que se me ponen en el camino. A mi mamá, Nelly Tapia Bejarano, por ser el más grande ejemplo de perseverancia y amor que yo he podido conocer, a pesar de todas las adversidades que nos ha tocado vivir ella siempre ha sabido sacarnos adelante, así mismo por sus consejos y regaños,. ica. los cuales me ayudaron a ser la persona que soy ahora.. m. A mi papá, Francisco Espejo Luis, que sé que desde el cielo nos cuida, nos guía y nos. Q uí. da las fuerzas para salir adelante a mi familia y a mí.. g.. A mis hermanos Eduardo y Rosa quienes siempre me ayudaron y soportaron todos mis. In. enojos en la realización de la presente tesis.. de. A mis abuelitos, Juana y Juan, que con su gran amor y cariño siempre me dieron ánimos. ca. y bendiciones para poder lograr todas mis metas y así salir adelante.. te. A mis tíos, por haberme dado todos los ánimos y ayudas necesarias para la realización. Bi bl. io. de la presente tesis.. A mi primo William, por su constante cariño y ánimos y por haberme enseñado que no debemos rendirnos fácilmente, debemos ser perseverantes en todo lo que nos proponemos y afrontar toda adversidad que se nos presente en el camino. Al Dr. Croswell Aguilar Quiroz por todas sus enseñanzas, paciencia y tiempo que nos brindó en todo momento. Carmen Elizabeth Espejo Tapia. II Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DEDICATORIA. A Dios. Por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado fuerza para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor. A mi adorada madre Sofía.. ica. Quien es mi mayor motivación, por todo su esfuerzo por sacarme adelante, por apoyarme en cada momento de mi vida, por sus consejos, sus valores, por guiarme y gracias a quien soy una persona de bien, pero más que nada, por su infinito amor.. m. A mi padre Cristobal.. Q uí. Por los ejemplos de perseverancia que lo caracterizan y que he admirado siempre, por todo su apoyo y cariño. In. g.. A mi padrinos Margarita y Pacífico. Por quererme tanto y acompañarme en todo mi crecimiento personal, profesional y espiritual.. de. Al Dr. Croswel Aguilar Por todo el apoyo, tiempo y paciencia que me ha brindado, por las enseñanzas profesionales y de vida.. Bi bl. io. te. ca. A todos mis amigos y seres queridos. Por el apoyo que me han brindado en la realización de este proyecto, por los consejos, ánimos y compañía en los buenos y malos momentos.. Cristy Margot Plasencia Chavez. III Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. AGRADECIMIENTOS A Dios, por su infinito amor y bendición en nuestras vidas. Al Dr. Croswel Aguilar, por su apoyo y confianza durante el desarrollo de muestra tesis, por inculcarnos un espíritu de perseverancia y lucha constante. Al Técnico Jorge Alcántara, por su apoyo en el desarrollo de la tesis.. ica. Al Sr. Magner Paredes por prestarnos las instalaciones de la. m. Curtiembre Ecológica de Norte E.I.R.L. para el desarrollo de. Q uí. nuestras mediciones.. A la Escuela de Ingeniería Ambiental, por facilitarnos los equipos e. g.. instalaciones para el desarrollo de nuestra tesis.. de. proyecto.. In. A todas las personas que nos apoyaron en la realización de este. Bi bl. io. te. ca. Las autoras. IV Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE DE CONTENIDOS. JURADO CALIFICADOR……………………………………………………………….……I DEDICATORIA………………………………………………………………………….…...II DEDICATORIA………………………………………………………………...…........…....III AGRADECIMIENTOS……………………………………………………………………....IV ÍNDICE DE CONTENIDOS………………………………………………………………….V ÍNDICE DE TABLAS………………………………………………………………………VII. ica. ÍNDICE DE FIGURAS…………………………………………………………………….VIII RESUMEN……………………………………………………………………………….…...X. m. ABSTRACT………………………………………………………………………………….XI. Q uí. CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1. de. In. g.. 1.1. Problema....................................................................................................................... 7 1.2. Hipótesis ....................................................................................................................... 8 1.3. Objetivos ...................................................................................................................... 8 1.4. Importancia del problema ............................................................................................. 8 CAPÍTULO II. ca. MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................................................... 9. te. 2.1. EQUIPOS, MATERIALES Y HERRAMIENTAS ..................................................... 9 2.1.1. Equipos ...................................................................................................................... 9. io. 2.1.2. Materiales .................................................................................................................. 9. Bi bl. 2.2. METODOLOGÍA ........................................................................................................ 9 2.2.1. Soporte de placas Peltier ............................................................................... 9 2.2.2. Circuito eléctrico de las placas Peltier ......................................................... 10 2.2.3. Medición de Intensidad de corriente, Voltaje, Resistencia eléctrica y temperatura................................................................................................... 10 2.2.4. Acople placa de Aluminio............................................................................ 12 2.2.5. Procedimiento Experimental:....................................................................... 12 CAPÍTULO III RESULTADOS Y DISCUSIÓN .......................................................................................... 13 3.1. Generación de energía en el termogenerador................................................................ 13 3.2. Influencia de la radiación en la generación de energía en el termogenerador .............. 17 V Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 3.3. Influencia del área de transferencia de calor de las placas Peltier en el Termogenerador ................................................................................................................... 21 CAPÍTULO IV CONCLUSIONES ................................................................................................................ 26 CAPÍTULO V RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 27 CAPÍTULO VI REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.................................................................................. 28. ica. CAPÍTULO VII. ANEXOS .................................................................................................................................. 31. m. ANEXO 1.............................................................................................................................. 31. Q uí. ANÁLISIS ESTADÍSTICO.................................................................................................. 31 ANEXO 2.............................................................................................................................. 38. In. g.. TABLA DE RESULTADOS ................................................................................................ 38 ANEXO 3.............................................................................................................................. 43. Bi bl. io. te. ca. de. REGISTRO FOTOGRÁFICO .............................................................................................. 43. VI Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 01: Tabla ANOVA para los datos obtenidos en voltaje ............................................... 36 Tabla 02: Datos medidos durante días que presentaron clima seminublado ........................ 38 Tabla 03: Datos medidos durante días que presentaron clima soleado ................................ 39 Tabla 04: Datos medidos en el termogenerador durante días que presentaron clima Nublado .................................................................................................................................. 40 TABLA 05: Datos medidos en el termogenerador utilizando una placa de aluminio durante días con clima nublado ........................................................................................................... 41. Bi bl. io. te. ca. de. In. g.. Q uí. m. ica. TABLA 06: Datos medidos en el termogenerador durante días que presentaron clima nublado ................................................................................................................................... 42. VII Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 01. Esquema típico de un TEM ................................................................................. 3 Figura 02. Soporte de las placas Peltier ............................................................................ 10 Figura 03. Circuito eléctrico de las placas Peltier............................................................. 10 Figura 04. Medición de voltaje en el sistema ..................................................................... 11 Figura 05. Sensores de temperatura conectados en la parte superior e inferior del sistema11 Figura 06. Acople placa de aluminio al sistema................................................................ 12 Figura 07. Medición de intensidad a diferentes variaciones de temperaturas con un rango de radiación: 200 W/m2 – 600 W/m2 ..................................................................................................................................... 13. ica. Figura 08. Medición de voltaje a diferentes variaciones de temperaturas con un rango de radiación: 200 W/m2 – 600 W/m2 ..................................................................................................................................... 14. m. Figura 09. Medición de resistencia a diferentes variaciones de temperaturas con un rango de. Q uí. radiación 200 W/m2 – 600 W/m2 ....................................................................................................................................... 14 Figura 10: Comparación de la intensidad generada en el termogenerador para los rangos de. g.. radiación (50 W/m2 – 200 W/m2), (200 W/m2 – 600 W/m2), (650 W/m2 – 900 W/m2) ......... 17. In. Figura 11. Comparación del voltaje generado en el termogenerador para los rangos de radiación (50 W/m2 – 200 W/m2), (200 W/m2 – 600 W/m2), (650 W/m2 – 900 W/m2 ................ 18. de. Figura 12. Comparación de la resistencia medida en el termogenerador para los rangos de radiación (50 W/m2 – 200 W/m2), (200 W/m2 – 600 W/m2), (650 W/m2 – 900 W/m2) ......... 18. ca. Figura 13. Influencia del área de transferencia de calor de las placas Peltier en la generación. te. de intensidad de corriente eléctrica en el Termogenerador................................................ 21. io. Figura 14. Influencia del área de transferencia de calor de las placas Peltier en la generación. Bi bl. de voltaje en el Termogenerador ......................................................................................... 21 Figura 15. Resistencia eléctrica en función a la variación de temperatura y aumento del área de transferencia de calor en condiciones de clima nublado ............................................... 22. Figura 16. Comparación de la generación de intensidad en función a la variación de la temperatura con y sin influencia de una placa de aluminio durante condiciones de clima nublado ................................................................................................................................ 23 Figura 17. Comparación de la generación de voltaje en función a la variación de la temperatura con y sin influencia de una placa de aluminio durante condiciones de clima nublado ................................................................................................................................ 24. VIII Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura 18. Comparación de la generación de resistencia en función a la variación de la temperatura con y sin influencia de una placa de aluminio durante condiciones de clima nublado ................................................................................................................................ 24 Figura 19. Gráfica de normalidad para la intensidad en un día nublado ......................... 35 Figura 20. Gráfica de normalidad para el voltaje en un día nublado ............................... 35 Figura 21. Gráfica de normalidad para la resistencia en un día soleado ......................... 36 Figura 22. Gráfica ANOVA para el voltaje durante un día nublado donde se utilizó una placa de aluminio .......................................................................................................................... 37 Figura 23: Medición de la temperatura tanto externa como internamente del sistema ..... 43. ica. Figura 24: Conexión en serie del sistema........................................................................... 43 Figura 25: Conexión de una resistencia para la medición de la misma en el sistema empleado. m. ............................................................................................................................................. 44. Q uí. Figura 26: Medición de voltaje, intensidad y resistencia del sistema utilizando el. Bi bl. io. te. ca. de. In. g.. Multitéster........................................................................................................................... 44. IX Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. RESUMEN. En el presente trabajo se estudió el efecto Seebeck – Peltier en un sistema compuesto por 13 placas Peltier más una lámina de aluminio de 0.46 m. x 0.96 m. x 0.0045 m. El sistema es conectado en serie y se mide el voltaje, intensidad y resistencia que se generan, los cuáles son medidos con un Multitéster Digital PRASEK PR – 45 A.. ica. Los resultados muestran que al incrementarse la diferencial de temperatura entre las placas se. m. incrementa en forma lineal tanto el voltaje como el amperaje. En el caso de la resistencia ésta. Q uí. también se incrementa pero de manera discreta. A mayor intensidad de radiación hay mayor generación de amperaje y voltaje en el sistema. Cuando sobre el sistema se coloca una placa de. In. g.. aluminio para incrementar el área de transferencia de calor el voltaje e intensidad se incrementa en 11.77 % y 15.77% respectivamente con respecto al sistema con solo las 13 placas Peltier.. te. ca. de. En este caso la resistencia se incrementa linealmente con la diferencial de temperatura.. Bi bl. temperatura. io. PALABRAS CLAVES: Efecto Seebeck, efecto Peltier, placas Peltier, diferencial de. X Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ABSTRACT. In this work, the Seebeck – Peltier effect in a system consisting of 13 Peltier modules and one 0.46 m x 0.96 m x 0.0045 m Aluminum sheet is studied. The system is connected in series and the generated voltage, current, and resistance are measured with a PRASEK PR–45A digital multimeter.. ica. The results show that both voltage and current grow linearly when the temperature difference. m. between the modules increases. As for the resistance, its value also goes up but gradually. When. Q uí. radiation is more intense, more current and voltage are generated in the system. When an Aluminum sheet is placed on the system to increase the heat transfer surface area, voltage and. g.. current rise by 11.77 % and 15.77 % respectively in relation to the system with the 13 Peltier. de. In. modules only. In this case, resistance grows linearly with the temperature gradient.. Bi bl. io. te. ca. KEYWORDS: Seebeck effect, Peltier effect, Peltier plates, temperature gradient.. XI Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CAPITULO I INTRODUCCIÓN La tendencia en el mundo es reducir el consumo de la energía primaria (combustibles fósiles), que representan el 81% del consumo energético, debido a los problemas ambientales que ocasionan. Son dos las estrategias para reducir el consumo de combustibles fósiles: desarrollar equipos con alta eficiencia y utilizar fuentes de energía. ica. no contaminantes como la eólica, hidráulica, biomasa, geotermia, y solar. (Pérez R.,. Q uí. m. 2010). Por otro lado, actualmente se estima que un alto porcentaje de energía producida no se. g.. aprovecha al cien por ciento debido a las restricciones termodinámicas y se disipa en. In. forma de calor (Benghanem et al., 2016).Tecnologías orientadas al aprovechamiento de. te. ca. mejorar la eficiencia energética.. de. este tipo de fuentes están siendo investigadas en los últimos años como alternativas para. io. El aprovechamiento de esta fuente de energía se puede realizar mediante los efectos. Bi bl. Seebeck, Peltier y Thompson.. El efecto Seebeck, es la generación de una fuerza electromotriz cuando se establece una diferencia de temperatura entre dos metales, por otro lado el efecto Peltier se basa en el cambio de temperatura que se produce cuando una corriente eléctrica pasa a través de un circuito eléctrico compuesto por dos metales de distinta composición química. (Lindero M., 2010).. 1 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Cuando los efectos Seebeck y Peltier se realizan en un mismo sistema cerrado, se genera energía eléctrica, a esto se denominó efecto Thompson (Guayllas & Uzhu, 2014). Las aplicaciones basadas en los efectos Seebeck, Peltier y Thompson se denomina termoelectricidad, se investiga su aplicación en sistemas que disipan calor como sistemas de calentamiento, refrigeración, etc. para convertir este calor en energía eléctrica (Múnera A., 2012).. ica. Las ventajas que presenta la termoelectricidad son: ausencia de partes móviles de los. m. sistemas, operación silenciosa, tamaño compacto y ligero, poco mantenimiento debido al. Q uí. desgaste y la corrosión, cero emisiones durante su operación, etc. (Kim et al., 2017). g.. (Enescu D., 2017) (Elsheikh et al., 2014).. In. Al combinar los materiales semiconductores y la termoelectricidad para transformar calor. de. en electricidad se desarrollaron dispositivos denominados Módulos Termoeléctricos. ca. (TEM) (Guayllas & Uzhu, 2014).. io. te. Los módulos termoeléctricos se construyen ensamblando pares semiconductores de tipo. Bi bl. n y tipo p que se encuentran dentro de dos placas cerámicas unidos por un conductor de cobre. Las placas cerámicas que se emplean se caracterizan por ser un buen dieléctrico. (Pérez R., 2010) (Twaha et al., 2016). En la figura 1 se muestra la estructura interna de un módulo termoeléctrico.. 2 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) In. g.. Q uí. m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. de. Figura 1: Esquema típico de un TEM (Elsheikh et al., 2014).. ca. Los TEM funcionan de la siguiente manera: Aprovechan un gradiente de temperatura que. io. te. pasa a través de una de sus caras y lo transforman en energía eléctrica. El gradiente de. Bi bl. temperatura que fluye través del TEM conduce a los electrones desde una cara (lado caliente) hasta la cara opuesta (lado frío) produciendo un voltaje (Wu C., 1996). Al dispositivo compuesto por módulos termoeléctricos se le denomina generador termoeléctrico (TEG), en el cual una superficie de los módulos termoeléctricos está expuesta a una fuente de calor, mientras que la otra superficie está en contacto con un fluido (Kim et al., 2017) (Negash et al., 2017).. 3 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La eficiencia de un TEG depende de diversos factores: la gradiente de temperatura que circula a través de las caras de los módulos termoeléctricos que lo conforman, el área de contacto de los TEM con las fuentes de calor y la resistencia interna del dispositivo. Estos factores influyen directamente en la energía que genera el TEG (Milic et al., 2017). Investigaciones aplicando el efecto Seebeck-Peltier para aprovechar calor que se disipa se tiene:. ica. Vargas et al., 2013, estudió el efecto de las configuraciones térmicas y eléctricas de tres. m. TEMs., considerando diferentes conexiones térmicas y eléctricas. Concluyó que la. Q uí. conexión térmica y eléctrica en paralelo es la configuración óptima para maximizar la potencia de salida.. In. g.. Tundee et al., 2013, empleó un estanque solar con temperatura de 50.2 °C y un fluido refrigerante con temperaturas inferiores a 41 °C, aplicando esta diferencial de temperatura. de. a 16 TEMs. Logró generar 234.25 mV.. ca. Hsu et al., 2011, utilizando un sistema compuesto por 24 TEM y una adecuada. te. distribución térmica, mejoró el rendimiento eléctrico y térmico. Considera que la baja. Bi bl. io. eficiencia de conversión de los TEG, no es el principal problema ya que se busca utilizar fuentes de calor disponible libremente.. Sasaki et al., 2015, utilizaron como fuente de calor un estanque solar en donde demostraron que un sistema compuesto por 20 TEMs incorporado con un resorte caliente era capaz de generar 1.927 MW en aproximadamente 9000 horas de funcionamiento.. Milic et at., 2017, en su investigación expusieron una cara de los TEM a una fuente de calor mientras que la otra la mantenía a temperatura más baja mediante el intercambio de. 4 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. calor con el medio ambiente. Obtuvieron voltajes superiores a 200 mV, para aprovechar la corriente generada previamente la almacenaron en una batería.. Negash et at., 2017, construyeron un termogenerador constituido por 10 TEMs, expusieron una cara de los módulos a un gas de escape a 327 °C, este gas provenía de motor de combustión diésel, y la otra cara la mantuvieron a 20 °C mediante el contacto con un fluido refrigerante, obteniendo en sus resultados un promedio de 5 V por cada. m. ica. TEM.. Q uí. Kim et at., 2017, su investigación dio como resultado una potencia de salida 43 W. g.. utilizando 40 TEMs. Expusieron directamente una superficie de los TEM a un gas de. In. escape a 477 °C y la superficie opuesta a un fluido de etilenglicol como refrigerante a 25. de. °C.. ca. Ding et at., 2016, generaron una potencia de salida de 36 W, utilizando 500 TEMs. En su. te. investigación se aprovechó el calor disipado por un estanque solar que permanecía a una. Bi bl. io. temperatura promedio de 80 °C, y un flujo de agua a 30 °C.. Skomedal et at., 2016, una de las superficie de los TEMs fue sometida a la temperatura de 405 °C y la otra superficie se puso en contacto con una placa de aluminio enfriada por medio de un flujo de agua. Concluyeron que se alcanza una potencia máxima de 1,04 W.. Zhe et at., 2016, con un colector solar y un sistema de refrigeración se genera una tensión de 1057 mV y una corriente eléctrica de 343 mA, con una potencia de salida de 360 mW.. 5 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. En la literatura revisada hemos identificado investigaciones que aprovechan el calor disipado de diversas fuentes (motores, etc.) y líquidos refrigerantes para generar un gradiente de temperatura, pero no hay información sobre la utilización exclusiva de fuentes de calor naturales como la radiación solar en conjunto con las corrientes de viento para generar un diferencial de temperatura y transformarlo en energía eléctrica, siendo. ica. esto materia de investigación del presente trabajo.. m. Los efectos Seebeck y Peltier son cualitativamente distintos y se descubrieron por. Q uí. separado. Sin embargo, hoy en día se entienden como dos aspectos de un mismo fenómeno y reciben un tratamiento teórico unificado. Como es bien conocido, cuando en. g.. un sistema termodinámico (p. ej. Un semiconductor) existen simultáneamente un flujo. In. térmico (asociado a una diferencia de temperaturas ∆T) y un flujo de carga eléctrica. de. (asociado a una fuerza electromotriz ∆ε), habrá una producción de entropía, con una. ca. aproximación lineal:. Bi bl. io. te. Ec. 03. Donde JQ es el flujo de calor, I es la intensidad eléctrica (flujo de carga) y T la temperatura media del sistema. Cuando hay estas dos contribuciones independientes a la producción de entropía, deben existir una relación lineal entre los flujos y las distintas fuerzas. Además el flujo de calor estará acoplado con el flujo de carga, de tal forma que:. Ec. 04. 6 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Donde L se denomina matriz de coeficientes fenomenológicos. Consideremos un sistema que obedece a las ecuaciones acopladas anteriores. Cuando la intensidad eléctrica es nula, pero existe una diferencia de temperaturas, de la segunda ecuación se concluye que aparecerá una fuerza electromotriz:. Ec. 05. ica. Este fenómeno se llama efecto Seebeck. El coeficiente α, que mide la intensidad del efecto. m. se denomina la potencia termoeléctrica del material. Por otra parte, si a través de un. Q uí. sistema con capacidad termoeléctrica se hace circular una intensidad de corriente, debido. g.. al acoplamiento de flujos, aparecerá una diferencia de temperaturas. Es el efecto inverso. In. al anterior y se denomina Efecto Peltier. Cuando se establece la corriente, la diferencia. de. de temperaturas va aumentando, hasta que se alcanza un estado estacionario, en el que el flujo total de calor en el sistema se hace nulo (por ello las temperaturas dejan de variar).. ca. Sustituyendo esa condición en las ecuaciones anteriores se encuentra una relación lineal. Bi bl. io. te. entre la diferencia de temperaturas aplicada y la intensidad que recorre el sistema:. Ec. 06. 1.1. PROBLEMA: ¿Cómo obtener energía eléctrica de fuentes naturales de calor aplicando el efecto Seebeck-Peltier?. 7 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.2. HIPÓTESIS: Si el efecto Seebeck-Peltier se basa en la diferencia de temperatura para la generación de energía eléctrica, entonces si tenemos un sistema en el cuál hay una diferencia de temperatura a ambos lados de una pared en el cual por un lado es expuesto a la radiación solar presentando alta temperatura y por el lado interno a un flujo de corriente de aire frío, entonces se puede obtener energía eléctrica utilizando termogeneradores.. ica. 1.3. OBJETIVOS:. 1.3.1. OBJETIVO GENERAL. m. Obtener energía eléctrica utilizando radiación solar y corriente de aire. 1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:. Construir un termogenerador que esté expuesto a radiación solar y. g.. -. Q uí. aplicado a un sistema que utiliza el efecto Seebeck-Peltier.. -. de. In. corrientes de aire, dónde se pueda aplicar el efecto Seebeck- Peltier.. Evaluar el efecto de la diferencial de temperatura y la radiación solar en la. Evaluar la influencia del área de transferencia de calor en la intensidad de. te. -. ca. intensidad de energía eléctrica, voltaje y resistencia generados.. Bi bl. io. corriente del termogenerador. -. Evaluar el efecto de área de transferencia de calor y la diferencial de temperatura en la resistencia de sistema.. 1.4. IMPORTANCIA DEL PROBLEMA: Este proyecto contribuye a desarrollar una alternativa aplicable en zonas rurales o en el campo, ayudando a las comunidades que no cuenten con el suministro de energía eléctrica. A la vez con el desarrollo del proyecto podemos aprovechar la diferencia de temperaturas de cualquier naturaleza existente en el medio ambiente.. 8 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CAPITULO II MATERIALES Y MÉTODOS. 2.1 EQUIPOS, MATERIALES Y HERRAMIENTAS:. ica. Q uí. m. Placas Peltier (13 unidades) Caja de madera (1.0 m. x 0.50 m. x 0.15 m.). Vidrio (0.47 m x 0.97 m x 0.004 m) Plancha de Triplay (0.46 m x 0.96 m x 0.0045 m) Plancha de Aluminio (0.48 m x 0.45 m x 0.002 m) Resistencia 100 k Ω Conexiones eléctricas Cable mellizo Pasta térmica Cinta aislante negra. te. ca.          . Materiales. g.. 2.1.2. Multitéster Digital PRASEK PR- 45 A, 3 dígitos y medio. Termómetro digital con termocupla. In.  . Equipos. de. 2.1.1. Soporte de placas Peltier. Bi bl. 2.2.1. io. 2.2 METODOLOGÍA:. Se construyó una caja de madera de 1.0 m x 0.50 m x 0.15 m como se muestra en la Figura 2, en ella se detalla: Tapa superior de vidrio, 3 orificios de 5 cm de diámetro ubicados en las caras laterales, arandela de madera de 1.0 cm x 1.0 cm en las paredes laterales de la caja, a 10 cm de la base y una plancha de triplay de dimensiones: 0.46 m x 0.96 m x 0.0045 m, a la que le realizó 13 orificios cuadrangulares de 4 cm x 4 cm, para que encaje un módulo en cada orificio.. 9 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 2.2.2. Circuito eléctrico de las placas Peltier. Q uí. Figura 2. Soporte de las placas Peltier. g.. Los módulos se conectan en serie, es decir, polo positivo de una placa Peltier con. Bi bl. io. te. ca. de. In. el polo negativo de la siguiente placa Peltier, como se muestra en la Figura 3.. Figura 3. Circuito eléctrico de las placas Peltier.. 2.2.3. Medición de Intensidad de corriente, Voltaje, Resistencia eléctrica y temperatura. Se empleó un multitéster digital PRASEK PR- 45 A, 3 dígitos y medio. La intensidad se corriente se midió en paralelo, empleando un resistencia de 100 100 K Ω. El voltaje y resistencia eléctrica se miden en paralelo como se muestra en la Figura 5. Se colocó 10 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. termocuplas en el sistema para conocer la temperatura en la parte superior del sistema. Q uí. m. ica. expuesto a la radiación solar y la parte inferior. Esto se observa en la Figura 6.. In. g.. Figura 4. Medición de voltaje en el sistema. Termómetro N° 2. Termómetro N° 1. Bi bl. io. te. ca. de. Termocupla N° 1. Figura 5. Sensores de temperatura conectados en la parte superior e inferior del sistema.. 11 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 2.2.4. Acople placa de Aluminio Se coloca una placa de aluminio de 0.48 m x 0.45 m x 0.002 m en contacto con las placas. Q uí. m. ica. Peltier por el lado que está expuesto a la radiación solar. Esto se aprecia en la Figura 7.. de. 2.2.5 Procedimiento Experimental:. In. g.. Figura 6: Acople placa de aluminio al sistema.. ca. El sistema ya armando se expone a la radiación solar y corrientes de aire para generar un. te. diferencial de temperatura y se procede a medir cada cierto tiempo la Intensidad de. io. corriente, el Voltaje, la Resistencia eléctrica y la temperatura. Con respecto a la radiación. Bi bl. se consideró días soleados, seminublados y nublados. Los datos recolectados son posteriormente analizados.. 12 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CAPITULO III RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Generación de energía en el termogenerador: Se analiza la influencia de la variación de temperatura en la generación de corriente eléctrica (uA) y voltaje (mV), así como la variación de la resistencia en (Mohm), del. ica. sistema compuesto por 13 placas Peltier conectadas en serie.. m. Los resultados se muestran en la tabla N°1 (Anexo 2) y en las figuras N° 07, 08 y 09.. Q uí. El rango de radiación solar en base a la información de medición de energía solar del. g.. departamento de Física UNT fue de 200 W/m2 – 600 W/m2. In. Intensidad vs. T 0.7. de. y = 0.0343x - 0.046 R² = 0.9858. ca. 0.5. te. 0.4. io. 0.3 0.2 0.1 0. Bi bl. Intensdad (uA). 0.6. 0. 5. 10. 15. 20. 25. T(°C). Figura 07: Medición de intensidad a diferentes variaciones de temperaturas con un rango de radiación: 200 W/m2 – 600 W/m2. 13 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Voltaje vs. T 1000 900 800. Voltaje (mV). 700. y = 39.982x - 51.603 R² = 0.9818. 600 500 400 300. ica. 200. m. 100 0. 5. 10. 15. 20. 25. Q uí. 0. g.. T(°C). In. Figura 08: Medición de voltaje a diferentes variaciones de temperaturas con un rango de. de. radiación: 200 W/m2 – 600 W/m2. Resistencia vs. T. ca te io. 150. 100. Bi bl. Resistencia (Mohm). 200. 50. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. T(°C). Figura 09: Medición de resistencia a diferentes variaciones de temperaturas con un rango de radiación 200 W/m2 – 600 W/m2. 14 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. En la figura N° 07 se observa que la intensidad de corriente que se genera en el sistema, se incrementa linealmente con la variación de temperatura. Por ejemplo para una variación de temperatura de 10.3°C la intensidad de corriente eléctrica es 0.311 A y al incrementarse la variación de temperatura a 15.9°C la corriente eléctrica generada también se incrementa a 0.495 A. Esta relación está definida por la ecuación 06:. ica. I (A) = 0.0343 (T) - 0.046. Q uí. m. R² = 0.9858. Ec. 06. En la figura N° 08 se observa que el voltaje que se genera en el sistema, se incrementa. g.. linealmente con la variación de temperatura. Por ejemplo para una variación de. In. temperatura de 3°C el voltaje generado es 74 mV y al incrementar la variación de. de. temperatura a 12.9°C el voltaje generado es 500 mV. Esta relación está definida por la. ca. ecuación 07:. te. V (mV) = 39.982 (T) - 51.603. io. Ec. 07. Bi bl. R² = 0.9818. En la figura N° 09 se observa que la resistencia se mantiene constante, en ciertos rangos de T. Así tenemos que para el rango de 2.4°C – 3°C la resistencia es de 1 Mohm, en el segundo rango de T= 9.2°C – 13.9°C la resistencia se incrementa a 1.1 Mohm y en el tercer en un rango de T= 15°C – 16.8°C la resistencia tiene el valor de 1.2 Mohm.. Se observa que conforme se incrementa la variación de temperatura cada cierto rango la resistencia generada va incrementándose de forma lineal. 15 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. El efecto Peltier se basa en la diferencia de temperatura entre dos placas, en donde en la placa superior inside la radiación solar y la temperatura se incrementa, entonces los electrones se desplazan hacia la placa inferior que posee menor temperatura generándose un desplazamiento de electrones que es transformada en energía eléctrica. Si la diferencia de temperatura es mayor, entonces es mayor la fuerza electromotriz que impulsa a los electrones generando mayor intensidad y voltaje.. ica. Por lo tanto los resultados obtenidos están acorde con el efecto Peltier, en donde como ya. m. se comentó la relación entre la diferencial de temperatura y la intensidad o voltaje es una. Q uí. recta con una pendiente que depende de la naturaleza del sistema.. g.. La resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un. In. circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas. de. eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la. ca. corriente eléctrica.. io. te. Cuando la temperatura se incrementa el conductor de corriente eléctrica o dispositivo. Bi bl. presenta dos fenómenos:. a) La transferencia de electrones que debe continuar. b) Al tener los electrones más energía, éstos generan calor limitando el paso de los electrones. Por lo tanto al incrementarse la temperatura la resistencia va a ser mayor. Por ende los resultados obtenidos en la figura N°9 la resistencia se incrementa con el aumento de temperatura con la diferencia que éste incremento no es proporcional a la diferencia de temperatura, sino que es después de cada intervalo de temperatura.. 16 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 3.2. Influencia de la radiación en la generación de energía en el termogenerador: Se estudia la influencia de la radiación solar en tres rangos (50 W/m2 – 200 W/m2), (200 W/m2 – 600 W/m2), (650 W/m2 – 900 W/m2), los cuales corresponden a días soleados, seminublados y nublados, respectivamente, en la generación de energía eléctrica (intensidad (uA), voltaje (mV)) así como su efecto sobre la resistencia del sistema.. ica. Los resultados se muestran en las gráficas N° 10, 11 Y 12 y en las tablas N° 1, 2 y 3. Q uí. m. (Anexo 2). Intensidad vs. T. g.. 0.8. In. 0.7. y = 0.0326x - 0.0211 R² = 0.9884. NUBLADO. de. 0.5 0.4 0.3. SEMINUBLADO. ca. Intensidad (A). 0.6. 0.1 0. 5. Bi bl. 0. io. te. 0.2. SOLEADO. 10. 15. 20. 25. T(°C). Figura 10: Comparación de la intensidad generada en el termogenerador para los rangos de radiación (50 W/m2 – 200 W/m2), (200 W/m2 – 600 W/m2), (650 W/m2 – 900 W/m2). 17 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Voltaje vs. T. 1000 900 800. y = 38.662x - 30.531 R² = 0.9879. Voltaje (mV). 700 600 500. NUBLADO SEMINUBLADO. 400. SOLEADO. 300 200. ica. 100 0 5. 10. 15. 25. Q uí. T(°C). 20. m. 0. Figura 11: Comparación del voltaje generado en el termogenerador para los rangos de. de. In. g.. radiación (50 W/m2 – 200 W/m2), (200 W/m2 – 600 W/m2), (650 W/m2 – 900 W/m2). Resistencia y = 38.662x - 30.531 R² = 0.9879. ca. 160. te io. 120 100. 60. 40. Bi bl. Resistencia (Mohm). 140. 80. vs. T(°C). NUBLADO SEMINUBLADO SOLEADO. 20 0 0 1. 5. 8.5. 10. 15. 20. 22.5. 25. T(°C). Figura 12: Comparación de la resistencia medida en el termogenerador para los rangos de radiación (50 W/m2 – 200 W/m2), (200 W/m2 – 600 W/m2), (650 W/m2 – 900 W/m2). 18 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Los resultados que se presentan en la figura N°10 muestran que hay una relación directa entre la intensidad que se genera y la diferencial de temperatura, la cual es mayor en la medida que la diferencial de temperatura se incrementa. Se observa que hay una relación lineal para los diferentes rangos de radiación, la ecuación que determina esta relación es: I = 0.0326 (T) - 0.0211 Ec. 08. ica. R² = 0.9884. Q uí. m. En la medida que se incrementa una radiación solar la diferencia de temperatura entre las placas también se incrementa. Así tenemos que para días nublados donde la intensidad de. g.. radiación está en el rango A, se alcanza hasta 0.25 (A), en cambio cuando esta intensidad. In. alcanza diferenciales de 22.5°C la intensidad se incrementa hasta un 0.745 (A). Con lo. de. cual queda demostrado que el efecto Seebeck - Peltier estrictamente depende del. te. radiación.. ca. diferencial de temperatura entre las placas, la cual es ocasionada por la intensidad de la. io. Por muy alta que sea la intensidad de la radiación, el efecto Seebeck va a producirse en. Bi bl. función de la diferencia de temperatura es decir que en el rango trabajado no hay una alteración en el sistema de las placas que genere un cambio en el comportamiento del efecto.. Los resultados que se presentan en la figura N°11 muestran que hay una relación directa entre el voltaje que se genera y la diferencial de temperatura, la cual es mayor en la medida que la diferencial de temperatura se incrementa. Se observa que hay una relación lineal para los diferentes rangos de radiación, la ecuación que determina esta relación es: 19 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. V = 38.662 (T) - 30.531. Ec. 09. R² = 0.9879 En la medida que se incrementa la radiación solar, la diferencia de temperatura entre las placas también se incrementa. Así tenemos que para días nublados donde la intensidad de radiación está en el rango A, se alcanza hasta 304 (mV), en cambio cuando esta intensidad alcanza diferenciales de 22.5°C el voltaje se incrementa hasta un 900 (mV). Con lo cual. ica. queda demostrado que el efecto Seebeck - Peltier estrictamente depende del diferencial. m. de temperatura entre las placas, la cual es ocasionada por la intensidad de la radiación.. Q uí. Por muy alta que sea la intensidad de la radiación, el efecto Seebeck va a producirse en función de la diferencia de temperatura es decir que en el rango trabajado no hay una. g.. alteración en el sistema de las placas que me genere un cambio en el comportamiento del. In. efecto.. de. Los resultados que se muestran en la figura N°12 muestran que la influencia de la. ca. intensidad de radiación con relación a la resistencia se observa que la resistencia se va. te. incrementando en ciertos rangos en función de la diferencial de temperatura, es decir en. io. el rango de 1°C – 8.5°C la resistencia es constante (Mohm), luego al elevarse la. Bi bl. temperatura en el segundo rango de 9.8°C – 15°C la resistencia es mayor a la anterior (Mohm) pero ésta sigue siendo constante y en el último intervalo que va de 16.3°C – 22.5°C la resistencia volvió a incrementarse (Mohm). Se observa que en la medida que la radiación solar se incrementa, aumenta la variación de temperatura y con esto la resistencia del sistema. Es decir que a mayor T hay mayor resistencia del sistema al paso de la corriente eléctrica.. 20 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 3.3. Influencia del área de transferencia de calor de las placas Peltier en el Termogenerador. Se evalúa la influencia de colocar una plancha de aluminio de 0.46 m x 0.96 m x 0.0045 m sobre las 13 placas Peltier. Con lo cual se incrementa el área de transferencia de calor Los resultados se muestran en las Figuras 13, 14 y 15 (Tabla 04, Anexo 2).. Intensidad vs. ∆ T 0.16. ica. 0.1. m. y = 0.0376x + 0.0015 R² = 0.9116. 0.12. 0.08. Q uí. Intensidad (A). 0.14. 0.06 0.04. 0 1. 2. In. 0. g.. 0.02. 3. 4. 5. de. ∆ T (°C). io. te. ca. Figura 13: Influencia del área de transferencia de calor de las placas Peltier en la generación de intensidad de corriente eléctrica en el Termogenerador.. Bi bl. 180 160. Voltaje (mV). Voltaje vs. ∆ T. y = 55.935x - 9.6296 R² = 0.9152. 140 120 100 80 60 40 20 0. 0. 1. 2. 3. 4. 5. ∆ T (°C) Figura 14: Influencia del área de transferencia de calor de las placas Peltier en la generación de voltaje en el Termogenerador. 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Resistencia vs. ∆ T 10. Resistencia (MOhm). 9 8 7 6 5. y = 1.4095x - 0.5377 R² = 0.8591. 4 3 2 1 0. 0.5. 1. 1.5. 2. 2.5. 3. 4. 4.5. 5. m. ∆ T (°C). 3.5. ica. 0. Q uí. Figura 15: Resistencia eléctrica en función a la variación de temperatura y aumento del área de transferencia de calor en condiciones de clima nublado.. In. g.. En la Figura 13 se observa que para una variación de temperatura de 0.6 °C se genera una intensidad de corriente eléctrica de 0.02 µA y al incrementarse la variación de temperatura a 3.0 °C la corriente eléctrica generada también se incrementa a 0.11 µA.. de. La relación de la Intensidad de corriente con la diferencial de la temperatura está dada por la Ecuación 10:. Ec. 010. R² = 0.9152. io. te. ca. I = 55.935T - 9.6296. Bi bl. En la Figura 14 se observa que para una variación de temperatura de 0.6 °C se genera un voltaje de 23 mV y al incrementar la variación de temperatura a 3.0 °C el voltaje generado también se incrementa a 163 mV. La relación del Voltaje generado con la diferencial de temperatura está dada por la Ecuación 11:. V = 55.935T - 9.6296 R² = 0.9152. Ec. 11. En la Figura 15 se muestra que para una variación de temperatura de 0.6 °C se genera una resistencia de 0.74 MOhm y al incrementarse la variación de temperatura a 3.0 °C la resistencia generada también se incrementa a 4.05 MOhm. 22 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. La relación de la Resistencia con la diferencial de temperatura está dada por la Ecuación 12:. R = 1.4095T - 0.5377 R² = 0.8591. Ec. 12. En la Figura 13 y Figura 14 se observa que al incrementar el área de transferencia de calor el efecto Seebeck-Peltier no se altera, es decir, que la Intensidad de corriente y el Voltaje se incrementa linealmente con la diferencial de la temperatura. Se incrementó el área de transferencia de calor de 0.0208 m2 a 0.4416 m2 y no se afecta la relación intensidad o voltaje con diferencial de temperatura, sigue siendo una relación lineal.. m. ica. En el caso de la Resistencia eléctrica del sistema, la Figura 15, al aumentar el área de transferencia de calor con la placa de aluminio se incrementa el diferencial de temperatura y la resistencia.. Q uí. Al comparar los resultados obtenidos utilizando el sistema de 13 placas Peltier (0.021 m 2) y el sistema con la placa de Aluminio de 0.46 m x 0.96 m x 0.0045 m (0.442 m2 ), para el. g.. rango de radiación de 70 W/m2 a 300 W/m2, que se presenta en las Figuras 16, 17 y 18,. In. se observa que:. de. Intensidad vs. ΔT. ca. 0.12. y = 0.0376x + 0.0015 R² = 0.9116. te. 0.1 0.08. 0.04 0.02 0. io. 0.06. Bi bl. Intensidad(mA). 0.14. 0. 0.5. y = 0.0324x - 0.0105 R² = 0.8794. 1. 1.5. 2. 2.5. 3. 3.5. 4. T(°C) Intensidad (mA). AL-NUB. Fig. N° 16: Comparación de la generación de intensidad en función a la variación de la temperatura con y sin influencia de una placa de aluminio durante condiciones de clima nublado. 23 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Voltaje vs. ΔT 180. y = 55.935x - 9.6296 R² = 0.9152. 160. Voltaje (mV). 140 120 100 80. y = 37.053x - 15.238 R² = 0.8556. 60 40. 0 0. 0.5. 1. 1.5. 2. 2.5. 3. 3.5. 4. m. T (°C). ica. 20. Sistema con plancha de Aluminio. Q uí. Sistema 13 placas Peltier. de. In. g.. Fig. N° 17: Comparación de la generación de voltaje en función a la variación de la temperatura con y sin influencia de una placa de aluminio durante condiciones de clima nublado.. Resistencia vs. ΔT. ca. 4.5 4. te. y = 1.4095x - 0.5377 R² = 0.8591. 3.5 2.5 2 1.5 1. io. 3. Bi bl. Resistencia (MOhm). 5. y=1 R² = #N/A. 0.5 0 0. 0.5. 1. 1.5. 2. 2.5. 3. 3.5. 4. 4.5. 5. ΔT (°C) Sistema 13 placas Peltier. Sistema con plancha de Alumino. Fig. N° 18: Comparación de la generación de resistencia en función a la variación de la temperatura con y sin influencia de una placa de aluminio durante condiciones de clima nublado. 24 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. En la Figura 16, el sistema con la placa de aluminio genera intensidad de corriente eléctrica que en promedio es 20% superior al sistema con solo 13 placas Peltier. En la Figura 17, el sistema con la placa de aluminio genera voltaje que en promedio es 46% superior al sistema con solo 13 placas Peltier. Por lo tanto, al aumentar el área de transferencia de calor, se incrementa la intensidad de corriente y el voltaje en el sistema. En la Figura 18, al comparar el sistema con solo 13 placas Peltier y el sistema con plancha de aluminio se observa que la resistencia se incrementa linealmente con relación al diferencial de temperatura, cuando se usa la plancha de aluminio.. ica. Este incremento es viene dado por la ecuación 12:. Ec. 12. Q uí. m. R = 1.4095T - 0.5377 R² = 0.8591. In. g.. En cambio para el sistema con solo 13 placas Peltier, en el rango de diferencial de temperatura trabajado, no hay un incremento de la resistencia.. Bi bl. io. te. ca. de. Este incremento de resistencia en el sistema con plancha de aluminio se puede deber al contacto entre la placa de aluminio y las placas Peltier, puesto que son materiales con diferentes capacidades de conducción de calor.. 25 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CAPITULO IV CONCLUSIONES En el trabajo sobre Obtención de energía eléctrica de fuentes naturales de calor aplicando el efecto Seebeck – Peltier se ha llegado a las siguientes conclusiones: 1. Se construyó un termogenerador, el cual está sometido a radiación solar y. ica. corrientes de aire, en el cual se aplica el efecto Seebeck Peltier.. m. 2. Para el rango de radiación (50 W/m2 – 900 W/m2) la relación entre la intensidad. Q uí. y voltaje que se generan con la diferencial de temperatura, es de tipo lineal.. In. g.. 3. Al incrementarse la radiación solar, se aumenta la diferencial de temperatura en el sistema, por lo tanto, se genera mayor intensidad de corriente y voltaje,. de. alcanzándose los valores máximos de 900 mV y. 0.745 A para una diferencial. te. ca. de temperatura de 22.5°C.. io. 4. Al aumentar el área de transferencia de calor se incrementa la intensidad de. Bi bl. corriente en un 20% y voltaje 46% del sistema, para un rango de radiación de 50 W/m2– 200 W/m2.. 5. La resistencia del sistema se incrementa con la diferencial de temperatura y con el área de transferencia de calor.. 26 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(39) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CAPITULO V RECOMENDACIONES. 1. Completar el circuito conectando a una batería, con todos los equipos que sean necesarios.. ica. 2. Mejorar el sistema de contacto entre la placa de aluminio y las placas Peltier y. m. además investigar placas que tengan mayor conductividad eléctrica, por ejemplo. Q uí. el cobre.. g.. 3. El sistema utilizado tiene 13 placas Peltier, se sugiere aumentar el número de. de. In. placas Peltier a fin de tener una mayor intensidad y voltaje del sistema.. 4. Investigar el sistema bajo ciertas condiciones, con ausencia de luz solar (en la. io. Adecuar el sistema para otro tipo de fuentes de calor, como por ejemplo calderas,. Bi bl. 5.. te. ca. noche por inversión del sistema).. hornos, para poder aprovechar el calor residual.. 27 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(40) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CAPITULO VI REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS . Benghanem M., Al-Mashraqi A., Daffallah K. (2016). Performance of solar cells using thermoelectric module in hot sites. Renewable Energy, 89, 51–59.. . Ding L., Akbarzadeh A., Date A. (2016). Electric power generation via. ica. plate type power generation unit from solar pond using thermoelectric. . Q uí. m. cells. Applied Energy, 183, 61-76.. Elsheikh M., Shnawah A., Sabri M., Said S., Hassan M., Bashir M., et al. (2014).. g.. A review on thermoelectric renewable energy: Principle parameters that affect. In. their performance. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30, 337 – 355.. Enescu D., Spertino F. (2017). Applications of hybrid photovoltaic modules with. de. . te. Guayllas Guaman, L. F., & Uzhu Palomino, J. P. (2014). Análisis del. io. . ca. thermoelectric cooling. Energy Procedia, 111, 904 - 913.. Bi bl. comportamiento de módulos termoeléctricos para trasformación de calor existente en el colector de escape a energía en un motor G10. Tesis de grado. Universidad Politécnica Salesiana – Sede Cuenca, Ecuador. . Hsu C., Huang G., Chu H., Yu B., Yao D. (2011). Experiments and simulations on lowtemperature waste heat harvesting system by thermoelectric power generators. Applied Energy, 88(4), 1291–1297.. 28 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(41) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. . Kim T., Negash A., Cho G. (2017). Direct contact thermoelectric generator (DCTEG): A concept for removing the contact resistance between thermoelectric modules and heat source. Energy Conversion and Management, 142, 20 - 27.. . Lindero Hernández, M. (2010). Análisis de dispositivos termoeléctricos en el marco termodinámico de procesos irreversibles. Tesis de Maestría. Instituto. . ica. Politécnico Nacional, México.. Milic D., Prijic A., Vracar L., Prijic Z. (2017). Characterization of commercial. Q uí. m. thermoelectric modules for application in energy harvesting wireless sensor. Múnera Cano, A. F. (2012). Desarrollo de un modelo matemático fenomenológico. In. . g.. nodes. Applied Thermal Engineering, 121, 74 – 82.. de. que permita simular el comportamiento de sistemas termoeléctricos. Tesis de. Negash A., Kim T., Cho G. (2017). Effect of electrical array configuration waste. te. . ca. Maestría. Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín, Colombia.. io. of thermoelectric modules on heat recovery of thermoelectric generator. Ensors. . Bi bl. and Actuators, 260, 212 – 219.. Pérez Enciso, R. A. (2010). Integración de un Generador de Efecto Termoeléctrico en un Concentrador de Foco Puntual. (DEFRAC). Tesis de. Maestría. Universidad Nacional Autónoma de México, México.. . Sasaki. K.,. Horikawa. D.,. Goto. K.. (2015).Consideration. of. thermoelectric power generation by using hot spring thermal energy or industrial waste heat. Electron Mater; 44(1), 391–398. 29 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(42) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. . Skomedal D., Holmgren L, Jaegle M., Middleton H., Eremin I., Isachenko G., et al., (2016). Design, assembly and characterization of silicide-based. thermoelectric modules.. Energy Conversion. and. Management, 110, 13 – 21. . Tundee S., Srihajong N., Charmongkolpradit S. (2013). Electric power generation. ica. from solar pond using combination of thermosyphon and thermoelectric modules.. Twaha S., Zhu J., Li B. (2016). A comprehensive review of thermoelectric. Q uí. . m. Energy Procedia, 48, 453 – 563.. technology: Materials, applications, modelling and performance improvement.. Vargas A., Olivares M., Camacho P. (2013). Thermoelectric system in different. de. . In. g.. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 65, 698 – 726.. Wu C. (1996). Analysis Of Waste-Heat Thermoelectric Power Generators.. io. . te. 15, 2162–2180.. ca. thermal and electrical configurations: its impact in the figure of merit. Entropy,. . Bi bl. Applied Thermal Engineering, 16, 63 – 69.. Zhe Z., Wenbin L., Jiangming K., Daochum X. (2016). Theoretical and experimental analysis of a solar thermoelectric power generation device based on gravity-assisted heat pipes and solar irradiation. Energy Conversion and Management, 127, 301–311.. 30 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(43) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. CAPITULO VII ANEXO 1 ANÁLISIS ESTADISTICO 7.1 PRUEBAS DE HIPÓTESIS: 7.1.1. INTENSIDAD:. Muestra mediana = 0.12665. Prueba t:. g.. -. Q uí. Desviación estándar de la muestra = 0.0633125. m. ica. Media muestral = 0.123648. de. Alternativa: no igual. In. Hipótesis nula: media = 0. io. Valor de p = 0. te. ca. Estadística t calculada = 15.1278. -. Bi bl. Rechace la hipótesis nula para alfa = 0.05. Prueba de signos:. Hipótesis nula: mediana = 0 Alternativa: no igual Número de valores por debajo de la mediana hipotetizada: 0 Número de valores por encima de la mediana hipotetizada: 60 Valor de p = 0 31 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(44) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Rechace la hipótesis nula para alfa = 0.05. La Prueba t demuestra la hipótesis nula, donde el Amperaje medio es igual a 0.0 en comparación con la hipótesis alternativa, donde el Amperaje medio no es igual a 0.0. Dado que el valor P para esta prueba es inferior a 0.05, podemos rechazar la hipótesis nula en el nivel de confianza del 95.0%. La prueba de signos prueba la hipótesis nula, donde el Amperaje mediano es igual a 0.0. ica. en comparación con la hipótesis alternativa, donde el Amperaje mediano no es igual a. m. 0.0. Se basa en contar el número de valores por encima y por debajo de la mediana. Q uí. hipotética. Dado que el valor P para esta prueba es inferior a 0.05, podemos rechazar la. In. g.. hipótesis nula en el nivel de confianza del 95.0%.. de. 7.1.2. VOLTAJE:. ca. Media muestral = 142.515. te. Muestra mediana = 148.5. -. Bi bl. io. Desviación estándar de la muestra = 76.6096 Prueba t:. Hipótesis nula - media = 0 Alternativa: no igual Estadística t calculada = 14.4096 Valor de p = 0 Rechace la hipótesis nula para alfa = 0.05. -. Prueba de signos: Hipótesis nula - mediana = 0 32. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(45) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Alternativa: no igual Número de valores por debajo de la mediana hipotetizada: 0 Número de valores por encima de la mediana hipotetizada: 60 Muestra estadística de muestra grande = 7.61687 (corrección de continuidad aplicada) Valor de p = 0. ica. Rechace la hipótesis nula para alfa = 0.05.. m. La Prueba t demuestra la hipótesis nula, donde el Voltaje medio es igual a 0.0 en. Q uí. comparación con la hipótesis alternativa, donde el Voltaje medio no es igual a 0.0. Dado que el valor P para esta prueba es inferior a 0.05, podemos rechazar la hipótesis nula en. g.. el nivel de confianza del 95.0%.. In. La prueba de signos demuestra la hipótesis, donde el Voltaje mediano es igual a 0.0 en. de. comparación con la hipótesis alternativa, en donde el Voltaje mediano no es igual a 0.0.. ca. Se basa en contar el número de valores por encima y por debajo de la mediana hipotética.. te. Dado que el valor P para esta prueba es inferior a 0.05, podemos rechazar la hipótesis. io. nula en el nivel de confianza del 95.0%.. Bi bl. 7.1.3. RESISTENCIA:. Media muestral = 124.706 Muestra mediana = 120.0 Desviación estándar de la muestra = 6.24264 -. Prueba t: Hipótesis nula: media = 0 Alternativa: no igual. 33 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

Figure

Actualización...

Referencias

Actualización...