Biblioteca de Facultad de Ingeniería Química
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
Influencia del diferencial de temperatura y de metales conductores en la generación de energía eléctrica utilizando celdas Peltier
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO AMBIENTAL
AUTOR:
Br. OLIVARES NAVARRO, Carlos Rafael Leoncio
ASESOR:
Dr. AGUILAR QUIROZ, Croswel Eduardo
TRUJILLO – PERÚ
2020
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
Influencia del diferencial de temperatura y de metales conductores en la generación de energía eléctrica utilizando celdas Peltier
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO AMBIENTAL
AUTOR:
Br. OLIVARES NAVARRO, Carlos Rafael Leoncio
ASESOR:
Dr. AGUILAR QUIROZ, Croswel Eduardo
TRUJILLO – PERÚ
2020
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JURADO CALIFICADOR
Dr. Wilson Reyes Lázaro Presidente
Ms. Paúl Henry Esquerre Pereyra Secretario
Dr. Croswel Eduardo Aguilar Quiroz Asesor
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DEDICATORIA
A Dios.
Por haberme dado fuerza para continuar en la vida. Por Su infinita bondad y amor en Jesucristo. A Él sea la gloria siempre.
“La gloria, Señor, no es para nosotros; no es para nosotros sino para tu nombre” (Salmo 115:1).
A mi madre Esther y padre Víctor
Por todo su esfuerzo por sacarme adelante y apoyarme en cada momento de mi vida.
A mi mamá Berenice y papá Manuel
Por el ejemplo de perseverancia que los caracterizan. Por todo su apoyo y cariño de ambos.
A mis hermanas Carolina y Maritza.
Por su apoyo y compañía en todo mi crecimiento personal y profesional.
Al Dr. Croswel Aguilar
Por todo el apoyo, tiempo y paciencia que me ha brindado.
A todos mis amigos y seres queridos.
Por el apoyo presencial y a distancia que me han brindado en la realización de éste trabajo de investigación. Todos son regalos de Dios a mi vida.
Muchas gracias.
Carlos Rafael Leoncio Olivares Navarro
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AGRADECIMIENTOS
A Dios, por Su inmenso amor en Cristo Jesús.
Al Dr. Croswel Aguilar, por su apoyo, entendimiento, confianza durante el desarrollo del presente trabajo de investigación y su disposición para el término del mismo, además de su apoyo a desarrollar mis habilidades en investigación.
A la Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental, por dar las facilidades para el desarrollo del presente trabajo de investigación.
A todas las personas que me apoyaron en la realización del presente proyecto.
Carlos Rafael Leoncio Olivares Navarro
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ÍNDICE DE CONTENIDOS
JURADO CALIFICADOR………..I DEDICATORIA……….…….II AGRADECIMIENTOS……….……....III ÍNDICE DE CONTENIDOS………...IV ÍNDICE DE TABLAS………VI ÍNDICE DE FIGURAS………VII RESUMEN………...………VIII ABSTRACT………IX
I. INTRODUCCIÓN………..………..…...1
1.1. Realidad problemática………...1
1.2. Antecedentes………....2
1.3. Marco teórico y conceptual……….4
1.3.1. Termoelectricidad………..4
1.3.2. Efecto Seebeck………..5
1.3.3. Celda Peltier………..5
1.3.4. Energía solar……….7
1.3.5. Energía térmica……….8
1.3.6. Conductividad térmica………..8
1.3.7. Calor específico……….9
1.4. Problema………11
1.5. Hipótesis………...11
1.6. Objetivos………...11
1.6.1. Objetivo General………..11
1.6.2. Objetivos Específicos………...12
1.7. Importancia del problema………..12
II. EQUIPOS, MATERIALES Y MÉTODOLOGÍA...………...….13
2.1. EQUIPOS Y MATERIALES………..………...………...13
2.1.1. Equipos………...13
2.1.2. Materiales………...13
2.2. METODOLOGÍA……….…...14
2.2.1. Montaje de los Sistemas Termogeneradores STG-Al y STG-Cu...14
2.2.2. Procedimiento Experimental.………..………...………15
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III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN………..…...17
3.1. SISTEMA TERMOGENERADOR CON PLACA DE ALUMINIO (STG-Al)….17 3.1.1. Influencia del diferencial de temperatura en la generación de voltaje en STG- Al...17
3.1.2. Influencia del diferencial de temperatura en la generación de amperaje en STG-Al...20
3.2. SISTEMA TERMOGENERADOR CON PLACA DE COBRE (STG-Cu)……..21
3.2.1. Influencia del diferencial de temperatura en la generación de voltaje en STG- Cu...21
3.2.2. Influencia del diferencial de temperatura en la generación de amperaje en STG-Cu...23
3.3. COMPARACIÓN ENTRE LOS SISTEMAS TERMOGENERADORES CON PLACA DE ALUMINIO (STG-Al) Y PLACA DE COBRE (STG-Cu)………24
3.3.1. Comparación respecto a la influencia del diferencial de temperatura en el voltaje generado en STG-Al y STG-Cu...24
3.3.2. Comparación respecto a la influencia del diferencial de temperatura en el amperaje generado en STG-Al y STG-Cu...27
IV. CONCLUSIONES………..………..…………....29
V. RECOMENDACIONES………..………...30
VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………...………....31
ANEXOS………..………..…...34
ANEXO 1: TABLA DE RESULTADOS………...34
ANEXO 2: ANÁLISIS ESTADÍSTICO……….…………...36
ANEXO 3: LUGAR DE DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN………...38
ANEXO 4: DIAGRAMAS Y REGISTRO FOTOGRÁFICO………...39
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla N°1. Conductividad térmica de algunos materiales en W/m°C (Valores representativos)………9 Tabla N°2. Calor específico (J/kg°C) y densidad (kg/m3) de algunos materiales (Valores representativos)………..10
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 01. Proyección de la demanda de energía eléctrica en América Latina.………..….1
Figura 02. Generador termoeléctrico compuesto por dos materiales………4
Figura 03. Esquema del efecto Seebeck. Circuito térmico compuesto de dos metales A y B sometidos a un gradiente de temperatura………5
Figura 04. Celda Peltier TEC1-12706………..………..…6
Figura 05. Esquema Interno de una celda Peltier. ………..……….6
Figura 06. Versatilidad de uso de una celda Peltier...………..…………...7
Figura 07. Ubicación de las 12 celdas Peltier en cada placa de metal………14
Figura 08. Aislamiento de las placas de metal con tecnopor, conexión en serie de las celdas Peltier y ubicación de los sensores de temperatura ………..……….15
Figura 09. Sistemas STG-Al y STG-Cu expuestos a la radiación solar………..16
Figura 10. Medición de los parámetros: voltaje, amperaje y temperaturas de los Sistemas Termogeneradores STG-Al y STG-Cu……….……….16
Figura 11. Generación de voltaje (mV) vs diferencial de temperatura (°C) en el Sistema Termogenerador con placa de aluminio (STG-Al)………...…17
Figura 12. Esquema de la transferencia de calor sin disipador y con disipador…………...19
Figura 13. Generación de amperaje (uA) vs diferencial de temperatura (°C) en el Sistema Termogenerador con placa de aluminio (STG-Al)………..….20
Figura 14. Generación de voltaje (mV) vs diferencial de temperatura (°C) en el Sistema Termogenerador con placa de cobre (STG-Cu)……… ………….……..21
Figura 15. Generación de amperaje (uA) vs diferencial de temperatura (°C) en el Sistema Termogenerador con placa de cobre (STG-Cu)……… ………..23
Figura 16. Generación de voltaje (mV) vs diferencial de temperatura (°C) en los Sistemas Termogeneradores con placa de aluminio (STG-Al) y placa de cobre (STG- Cu)………....25
Figura 17. Esquema sobre el calor transferido no usado por las celdas Peltier (sin considerar el efecto Seebeck) de las caras superiores a las inferiores……….26
Figura 18. Generación de amperaje (uA) vs diferencial de temperatura (°C) en los Sistemas Termogeneradores con placa de aluminio (STG-Al) y placa de cobre (STG-Cu)…..……..27
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RESUMEN
La presente investigación evaluó la influencia de placas de metales conductores y los diferenciales de temperatura obtenidos, en la generación de energía eléctrica (voltaje y amperaje) mediante un sistema compuesto por 12 celdas Peltier en combinación con una placa de aluminio de 43.50 cm. x 40.55 cm. x 0.15 cm (STG-Al), y un sistema compuesto por 12 celdas Peltier en combinación con una placa de cobre de 43.50 cm. x 40.55 cm. x 0.15 cm (STG-Cu). Cada sistema de celdas Peltier fue conectado en serie, colocado dentro de un soporte de madera y protegido con una placa de vidrio. Posteriormente, los sistemas descritos fueron expuestos a la energía solar y al viento, a partir de lo cual se midió el voltaje y amperaje generados en cada uno de ellos, para cada intervalo de tiempo establecido, con dos Multitéster Digitales PRASEK PR – 45 A. Los resultados muestran que la placa de cobre influyó en forma ligeramente mayor que la de aluminio generando más voltaje en sus respectivos sistemas, mientras que para ambos casos el diferencial de temperatura guardó una relación lineal con dicha generación. El sistema con placa de cobre (STG-Cu) generó 22.41% más voltaje que el sistema con placa de aluminio (STG- Al), para un diferencial de temperatura aproximado de 32.67 °C. Por otro lado, en la generación de amperaje, la placa de cobre influyó en mayor medida que la de aluminio, ya que si bien es cierto se comportaron de manera similar hasta un diferencial de temperatura aproximado de 21 °C, la relación entre la generación de amperaje y el diferencial de temperatura en el sistema con placa de cobre (STG-Cu) empezó a ser exponencial. El sistema con placa de cobre (STG-Cu) generó 294.06% más amperaje que el sistema con placa de aluminio (STG- Al), para un diferencial de temperatura aproximado de 30.90 °C.
PALABRAS CLAVES: Energía solar, energía eléctrica, celdas Peltier, placas de metal
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ABSTRACT
The present investigation evaluated the influence of conductive metal plates and the temperature differentials obtained, in the generation of electrical energy (voltage and amperage) through a system composed of 12 Peltier cells in combination with a aluminum plate of 43.50 cm. x 40.55 cm. x 0.15 cm (STG-Al), and a system composed of 12 Peltier cells in combination with a copper plate of 43.50 cm. x 40.55 cm. x 0.15 cm (STG-Cu). Each Peltier cell system was connected in series, placed inside a wooden stand and protected with a glass plate. Subsequently, the systems described were exposed to solar energy and wind, from which the voltage and amperage generated in each of them was measured, for each established time interval, with two PRASEK PR - 45 A Digital Multitters. The results show that the copper plate had a slightly greater influence than the aluminum plate, generating more voltage in their respective systems, while for both cases the temperature differential kept a linear relationship with said generation. The copper plate system (STG-Cu) generated 22.41% more voltage than the aluminum plate system (STG-Al), for an approximate temperature differential of 32.67 ° C. On the other hand, in the generation of amperage, the copper plate had a greater influence than the aluminum plate, since although it is true they behaved in a similar way up to an approximate temperature differential of 21 ° C, the relationship between the generation amperage and the temperature differential in the system with copper plate (STG-Cu) began to be exponential. The system with copper plate (STG- Cu) generated 294.06% more amperage than the system with aluminum plate (STG-Al), for an approximate temperature differential of 30.90 ° C.
KEYWORDS: Solar energy, electric energy, Peltier cells, metal plates.
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I. INTRODUCCIÓN
1.1.REALIDAD PROBLEMÁTICA
A nivel mundial se prevé que la demanda de energía aumentará un tercio hasta 2035, mientras que la demanda de la electricidad aumente un 70% (Belda, 2018:25). Esto nos hace pensar en la enorme necesidad de buscar fuentes de abastecimiento para dicha necesidad que la población tendrá a futuro, y que las fuentes no renovables (fósiles, etc.) no pueden cubrir.
Si vamos a la realidad de nuestro país, el problema es importante ya que se proyecta una demanda aumentada de 5% anual solo para el caso de la energía eléctrica, uno de los tipos de energía más solicitadas. Por otro lado, se observa que va en aumento el uso de la energía solar como fuente de energía primaria para obtener la energía eléctrica demandada, además que hasta 2040, en el Perú, se espera que la demanda de energía eléctrica aumente en un 5
% cada año (Ormaetxea, 2019:1).
Figura 1. Proyección de la demanda de energía eléctrica en América Latina (Ormaetxea, 2019:1).
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1.2.ANTECEDENTES
Entre los esfuerzos por encontrar alternativas para la generación de energía se puede mencionar los estudios en aprovechamiento de la energía solar (fuente de casi todas las formas de energía conocidas) haciendo uso de la tecnología fotovoltaica. Sin embargo, los materiales para la celda fotovoltaica aún son de difícil acceso en lo que respecta a lo económico por lo que se busca cerrar esta brecha investigando otras alternativas que sean eficientes para el uso que se le quiera dar y económicamente alcanzables para lugares remotos a las ciudades.
Entre las investigaciones a lo largo de la historia se ha descubierto a los módulos generadores termoeléctricos. Éstos tienen la capacidad de convertir un flujo de calor en energía eléctrica, tomando en cuenta el Efecto Seebeck. A éstos módulos también se les llaman celdas Peltier debido a que se le pueden aplicar el efecto inverso llamado efecto Peltier, el cual consiste en generar un flujo de calor a partir de introducir una corriente eléctrica.
De manera masiva, se ha investigado la termoelectricidad mediante aprovechamiento de flujos de calor residuales para aumentar la eficiencia de sistemas de calefacción (Múnera, 2012:1), no perder flujos de calor y aprovecharlo para generar energía eléctrica para otros usos. Una muestra de lo anteriormente mencionado es lo trabajado por Negash et al (2017) que utilizaron un sistema termogenerador hecho por 10 celdas Peltier conectadas en serie el cual colocaron expuesto por una de las caras de las celdas a un tubo de escape de 327 °C (gas proveniente de una combustión de diésel) y las otras caras se colocaron en contacto con gas refrigerante a 20 °C. Este estudio dio como resultado dar una muestra de una cantidad máximo de celdas Peltier conectadas y la generación de energía eléctrica máxima que se puede conseguir (Negash et al, 2017:212).
Una de las variantes de estos trabajos es utilizar ya no un calor residual de algún proceso, sino la energía solar, siendo parecido este sistema a los sistemas fotovoltaicos
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convencionales. En este tipo de sistema, se aprovechan los rayos solares como fuente de calor para el lado caliente del sistema termogenerador, a estos sistemas se les denominan también sistemas termogeneradores solares. Una muestra de ello es el reciente trabajo de Espejo y Plasencia (2018) que generaron energía eléctrica utilizando celdas Peltier mediante el aporte de la energía solar. Ellas utilizaron, en una primera fase, un sistema de 13 celdas Peltier conectadas en serie, y se agregó una placa de aluminio como captador en la segunda fase de la investigación. Éste estudio trajo como resultado, en la primera fase, una generación de voltaje máximo de 900 mV y un amperaje máximo de 0.745 mA, mediante un diferencial máximo de temperatura en el sistema propuesto de 22.5 °C. En lo que respecta a la segunda fase (inclusión de placa de aluminio) se generó un voltaje mayor en un 46% respecto a los resultados de la fase 1 y 20% respecto al amperaje para bajos diferenciales de temperatura.
Esto demostró que la inclusión de una placa de metal para captar con una mayor área la energía solar es efectiva. Se puede aprovechar la concentración de energía que tienen los materiales y elevar la temperatura de los mismos para que dicho calor sea transmitido a las placas Peltier. (Espejo y Plasencia, 2018).
Los esfuerzos por concentrar al energía solar y aumentar la eficiencia se muestran en un trabajo aún más reciente de Jeyashree et al (2020), los cuales utilizaron un lente de Fresnel para concentrar los rayos solares para que incidan en una de las caras de una celda Peltier de Telururo de Bismuto apoyados además por un disipador de calor con materiales compuestos para una mayor efectividad. Se obtuvieron generaciones de voltaje con un máximo de 0.615 V con una temperatura del lado caliente de 140 °C y una temperatura de lado frío de 44 °C durante el día, además de una generación de corriente eléctrica (amperaje) de 84.9 mA (Jeyashree et al, 2020:1).
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1.3.MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL
1.3.1. Sistemas Termoeléctricos
Un efecto termoeléctrico puede convertir energía térmica, proveniente de un gradiente de temperatura, a energía eléctrica. Esto se denomina termoelectricidad. Este fenómeno fue descubierto inicialmente en 1821 y fue denominado “efecto Seebeck”. El efecto inverso, es decir, producir un lado caliente y otro frío inyectando energía eléctrica se denomina “efecto Peltier”. La diferencia de temperatura en dos puntos de un conductor o semiconductor da como resultado un voltaje entre esas zonas Se esta manera se constituyen los sistemas termoeléctricos. Las ventajas que nos da éste tipo de energía son la ausencia de partes móviles, una operación silenciosa, tamaño compacto y poco mantenimiento debido al desgaste y la corrosión, además de cero emisiones durante su operación (Mohamed et al., 2020:339).
Figura 2. Generador termoeléctrico compuesto por dos materiales (Múnera, 2012:46).
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1.3.2. Efecto Seebeck
El efecto Seebeck es el resultado de la conversión de energía térmica a energía eléctrica, en donde, gracias a un gradiente de temperatura, se genera una fuerza electromotriz, cuando se tiene un circuito térmico de dos metales diferentes. Esto último se muestra en la figura 2.
Cuando hay una variación de temperatura a lo largo de un conductor y la densidad de corriente eléctrica es cero, el potencial eléctrico cambia linealmente con la temperatura. El potencial generado entre los dos materiales es proporcional a los coeficientes Seebeck de cada metal y al gradiente de temperatura al cual están sometidos (Múnera A., 2012:39).
Figura 3. Esquema del efecto Seebeck. Circuito térmico compuesto de dos metales A y B sometidos a un gradiente de temperatura (Múnera, 2012:37).
1.3.3. Celda Peltier
Al tener la facilidad de invertir el proceso, las celdas Peltier realizan tanto el efecto Seebeck como el efecto Peltier. A menudo, a las celdas Peltier se les denomina módulo termoeléctrico. Se sabe que un módulo termoeléctrico típico consiste en un conjunto de entre 10 a 100 elementos termoeléctricos semiconductores de tipo n (dopados) y tipo p (huecos), hechos de Teleruro de Bismuto, conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo, con placas de metal en la parte superior e inferior, y teniendo a un material cerámico (comúnmente alúmina) como soporte y aislante eléctrico. Debido a sus propiedades de
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aislantes térmicos, éstos semiconductores permitieron que exista la posibilidad de conseguir un diferencial de temperatura en un espacio reducido con lo que se consigue un diferencial de voltaje para producir el movimiento de electrones y como consecuencia generar energía eléctrica. Para generar electricidad de un módulo termoeléctrico es necesario que haya una diferencia de temperatura entre las superficies “caliente” y la superficie “fría” de dicho módulo. (Mohamed et al., 2020:347).
Figura 4. Celda Peltier TEC1-12706. (Mirmanto et al, 2019:180)
Figura 5. Esquema Interno de una celda Peltier. (Catalán, 2014:7)
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Figura 6. Versatilidad de uso de una celda Peltier. (Mohamed et al., 2020:339)
1.3.4. Energía Solar
La energía producida por el sol se transmite por el espacio en forma de ondas electromagnéticas, que se desplazan a una velocidad c=300000 km/s. Éstas ondas tienen longitudes de onda comprendidas entre unos 250 y 6000 nm, de las cuales la radiación visible corresponde al intervalo comprendido entre 380 y 780 nm. Posterior a ello, la radiación interacciona con las moléculas de los gases componentes de la atmósfera, dando lugar a la absorción y la conversión de energía radiante en calor. La luz solar que parece proceder directamente del sol se denomina radiación directa, mientras que la radiación solar procedentes de todas las demás direcciones se denomina radiación difusa.
La constante solar, Go, es decir, la cantidad de energía radiante que llega hasta el límite de la atmósfera por unidad de superficie, dispuesta perpendicularmente a la dirección de la radiación incidente, y por unidad de tiempo, tiene un valor de 1367 W/m2 con un error del 1%, cuando se toma la distancia media Tierra-Sol (González, 2009:62).
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1.3.5. Energía Térmica
La energía se denomina a la capacidad que poseen los cuerpos de realizar trabajo, cualquiera que sea su causa. La energía aparece en diversas formas, como pueden ser la cinética, potencial, térmica, química, electromagnética o luminosa, eléctrica, la inherente a la masa, etc. Entre las mencionadas, la energía térmica de un cuerpo está asociada al movimiento de su estructura atómica y molecular. En un sólido, un incremento de la temperatura implica un mayor desplazamiento vibracional de los átomos, iones o moléculas que forman el retículo cristalino, es decir, un incremento de la frecuencia y amplitud de desplazamiento en torno a la posición de equilibrio de los mismos (González, 2009:7).
1.3.6. Conductividad térmica
SI sujetamos el extremo de una varilla de cobre y colocamos el otro en una flama, el extremo que sostenemos se calienta cada vez más, aunque no esté en contacto directo con la flama.
Si se transfiere una cantidad de calor dQ por una varilla en un tiempo dt, se establece que la rapidez de flujo de calor es dQ/dt. Llamamos a ésta la corriente de calor, denotada por H. Es decir: H=dQ/dt. Se ha demostrado experimentalmente que ésta corriente de calor es proporcional al área de la sección transversal A de la varilla y al diferencial de temperatura (Th-Tc), e inversamente proporcional a la longitud de la varilla L. Introduciendo una constante de proporcionalidad k llamada conductividad térmica del material, tenemos:
𝑯 =𝒅𝑸
𝒅𝒕 = 𝒌𝑨𝑻𝒉− 𝑻𝒄
𝑳 𝑬𝒄. 𝟏
Donde: H: cantidad de calor por segundo (J/s o W); k: coeficiente de conductividad térmica (W/m°C); A: Área sección transversal (m2);
Th: Temperatura caliente (°C); Tc: Temperatura fría (°C).
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La cantidad (Th-Tc)/L es la diferencia de temperatura por unidad de longitud, llamada gradiente de temperatura. El valor numérico de k depende de material de la varilla. Los materiales con “k” grande son buenos conductores del calor y aquellos con “k” pequeña son malos conductores o aislantes. Las unidades de corriente de calor H son unidades de energía por tiempo, es decir, potencia. (Young y Freedman, 2013: 571). En la Tabla N° 1 se dan algunos valores de k.
Tabla N° 1: Conductividad térmica de algunos materiales en W/m°C (Valores representativos) (Young y Freedman, 2013:571)
Material k (W/m°C)
Aluminio 205.00
Plata 406.00
Cobre 385.00
Madera 0.12
Hielo 1.60
Poliestireno expandido (Tecnopor)
0.03
1.3.7. Calor específico
Usamos el símbolo Q para denotar calor. Cuando el calor está asociado a un cambio de temperatura infinitesimal dT, lo llamamos dQ. Aquí se ve que la cantidad de calor Q necesaria para elevar la temperatura de una masa m de cierto material de T1 a T2 es aproximadamente proporcional al cambio de temperatura (T2-T1) y a la masa m del material.
Si calentamos agua para hacer té, necesitamos el doble de calor para dos tazas que para una, si el intervalo de temperatura es el mismo. Éste calor se denomina calor específico. La cantidad de calor requerida también depende de la naturaleza del material: se requieren 4190
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J de calor para elevar la temperatura de 1 kilogramo de agua 1 °C, pero solo 910 J para elevar la temperatura en 1 °C la temperatura de 1 kilogramo de aluminio. (Young y Freedman, 2013: 564). Para el cálculo del calor específico muchas veces usaremos la densidad del material. Ésta relación la observamos en la ecuación 2. En la tabla N° 2 se da valores de calor específico y las respectivas densidades a temperatura ambiente de algunos materiales.
𝑸 = 𝒎𝒄∆𝑻 𝑬𝒄. 𝟐
Donde: Q: cantidad de calor (J); m: masa (kg); c: calor específico (J/kg°C); dT: Diferencial de temperatura (°C).
Tabla N° 2: Calor específico (J/kg°C) y densidad (kg/m3) de algunos materiales (Valores representativos) (Young y Freedman, 2013:564)
Material
Densidad (kg/m3)
C. E.
(J/kg°C)
Aluminio 2700.00 910.00
Plata 10490.00 234.00
Cobre 8960.00 390.00
Madera 400.00 1760.00
Hielo 917.00 2090.00
Poliestireno expandido (Tecnopor)
10.00 1200.00
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1.4.PROBLEMA
¿En qué forma influye la inclusión de metales conductores (Aluminio y Cobre) para un sistema de 12 celdas Peltier conectados en serie, y el diferencial de temperatura producido, en la generación de energía eléctrica (voltaje y amperaje)?
1.5. HIPÓTESIS
La inclusión de una placa de cobre (Sistema Termogenerador con Placa de Cobre, STG-Cu) influye en mayor medida produciendo una cantidad mayor de energía eléctrica (voltaje y amperaje) que la inclusión de una placa de aluminio (Sistema Termogenerador con Placa de Aluminio, STG-Al), en virtud de sus mejores propiedades de captación de calor y mayor coeficiente de conductividad térmica. Adicionalmente, se confirma que a mayor diferencial de temperatura se producen mayores cantidades de generación de energía eléctrica (voltaje y amperaje) para ambos casos.
1.6. OBJETIVOS
1.6.1. OBJETIVO GENERAL
Conocer la influencia de la inclusión de una placa de aluminio en comparación con la inclusión de una de cobre para un sistema de 12 celdas Peltier conectadas en serie, y la influencia del diferencial de temperatura producido en cada caso, en la generación de energía eléctrica (voltaje y amperaje).
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1.6.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
. Conocer y comparar la generación de voltaje generados en ambos sistemas termogeneradores (STG-Al y STG-Cu) para un mismo diferencial de temperatura.
. Conocer y comparar la generación de amperaje generados en ambos sistemas termogeneradores (STG-Al y STG-Cu) para un mismo diferencial de temperatura.
1.7.IMPORTANCIA DEL PROBLEMA
El estudio de inclusión de materiales comunes para generación de energía promueve la realización de proyectos accesibles para comunidades remotas que no cuentan con acceso a la tecnología avanzada de generación de energía, o en su defecto, ayuda a aumentar el conocimiento para consolidar las tecnologías emergentes en aras de contribuir a éste acceso libre a la energía. Además, las investigaciones de aprovechamiento de la energía solar mediante los sistemas termogeneradores como las celdas Peltier se han estado desarrollando muy significativamente, observándose en ellas que hay un déficit de estudios de evaluación de más alternativas de concentración de energía para aumentar el diferencial de temperatura que provoca la energía eléctrica. Teóricamente se sabe que los metales tiene una mayor capacidad para concentrar el calor en su estructura y transmitirlo rápidamente y esto varía respecto al tipo de metal, por lo que sería importante investigar la inclusión de estos materiales en los estudios para generar un buen diferencial de temperatura y, como consecuencia, la energía eléctrica que necesitamos. Esto último es el motivo del presente trabajo de investigación.
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II. EQUIPOS, MATERIALES Y METODOLOGÍA
2.1 EQUIPOS Y MATERIALES:
2.1.1 Equipos
Multitéster Digital PRASEK PR- 45 A (2 unidades)
Termómetro digital con sensor de temperatura (4 unidades)
Computador con Software EXCEL
2.1.2 Materiales
Celda Peltier TEC1 -12706 (0.04 m x 0.04 m x 0.003 m) (24 unidades)
Caja de madera personalizada (1.00 m. x 0.50 m. x 0.15 m.).
Placa de vidrio (0.97 m x 0.47 m x 0.002 m)
Plancha de tecnopor (0.97 m x 0.47 m x 0.015 m)
Placa de aluminio (0.435 m x 0.406 m x 0.0015 m)
Placa de cobre (0.435 m x 0.406 m x 0.0015 m)
Resistencia 100 k Ω (2 unidades)
Canaletas de Plástico
Placa de aluminio (para deslizar vidrio)
Cinta aislante negra
Cuaderno A4 (100 hojas)
Lapicero (bolígrafo)
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2.2 METODOLOGÍA:
2.2.1 Montaje de los sistemas termogeneradores STG-Al y STG-Cu.
Se utilizó una caja de madera prefabricada de 1.0 m x 0.50 m x 0.15 m que consistió de una tapa superior de vidrio, 3 orificios de 5 cm de diámetro ubicados en las caras laterales (para cada STG) y una tapa inferior de madera. Esta caja tuvo un soporte físico interno para las placas de metal. Las placas de metal (aluminio y cobre) fueron pulidas y, posterior a ello, se ubicaron los lugares para las 12 celdas Peltier, en cada placa de metal, de tal forma que estén equidistantes y repartidas uniformemente en toda la superficie inferior de cada placa.
Además, se aseguró las placas con pedazos de plástico duro para fijarlos en su lugar, de tal forma que haya un mejor contacto entre la placa de metal y las celdas Peltier (Figura 5).
Figura 7. Ubicación de las 12 celdas Peltier en cada placa de metal.
Se aisló las placas de metal con la parte inferior mediante una plancha de tecnopor agujereada, espacio que ocuparían las celdas Peltier. Por otro lado, las 12 celdas Peltier se conectaron en serie, es decir, polo positivo de una celda Peltier con el polo negativo de la siguiente celda Peltier. Adicional a ello, se colocó termómetros digitales LCD con sensores
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de temperatura para conocer la temperatura en la parte superior expuesto a la radiación solar y en la parte inferior, lo cual se puede ver en la Figura 6. Posteriormente, se cerró la tapa inferior y se colocó el vidrio en la parte superior. La zona donde se ubicó la placa de aluminio se denominó Sistema Termogenerador STG-Al, y donde se colocó la placa de cobre, Sistema Termogenerador STG-Cu.
Figura 8. Aislamiento de las placas de metal con tecnopor, conexión en serie de las celdas Peltier y ubicación de los sensores de temperatura (lado inferior).
2.2.2 Procedimiento Experimental:
Se siguió el siguiente procedimiento:
1) Se colocó los sistemas termogeneradores STG-Al y STG-Cu expuestos al sol formando un plano horizontal y paralelo al suelo. La ubicación del lugar de experimentación se muestra en el Anexo 2.
2) Se empleó dos Multitéster digital PRASEK PR- 45 A (uno para medir el voltaje y el otro, el amperaje). Esto último evitó que los equipos sean descalibrados al cambiar de parámetro de medición. El amperaje se midió en paralelo, empleando una resistencia de 100 kΩ, mientras que el voltaje se midió en paralelo sin la resistencia. De igual manera, se tomaron
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los datos que marcaron los termómetros y se anotaron. Todos los datos se tomaron por duplicado para sacar un promedio para cada hora del día durante 8 horas.
3) El experimento se repitió durante 6 días para un total aproximado de 44 muestras promedio. Un esquema de esto nos muestra la figura 10. Finalmente, los datos fueron procesados y analizados.
Figura 9. Sistemas STG-Al y STG-Cu expuestos a la radiación solar.
Figura 10. Medición de los parámetros: voltaje, amperaje y temperaturas de los Sistemas Termogeneradores STG-Al y STG-Cu.
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III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 SISTEMA TERMOGENERADOR CON PLACA DE ALUMINIO (STG-Al) 3.1.1. Influencia del diferencial de temperatura en la generación de voltaje en STG-Al
Se analizó la influencia de la variación de temperatura sobre la generación de voltaje (mV).
La presencia de un metal como captador de energía hizo que se generaran diversos diferenciales de temperatura. Los resultados que se obtuvieron del Sistema Termogenerador con placa de aluminio (STG-Al), respecto a la generación de voltaje para cada diferencial de temperatura generado, se muestran en el anexo 1, tabla 1, y en la figura 11.
Figura 11: Generación de voltaje (mV) vs diferencial de temperatura (°C) en el Sistema Termogenerador con placa de aluminio (STG-Al).
y = 17.2680x - 2.0208 R² = 0.9246
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 700,00
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00
Voltaje (mV)
Diferencial de Temperatura (°C)
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En la figura 11 se observa que el voltaje que se generó en éste sistema se incrementó linealmente con el diferencial de temperatura.
La ecuación de la línea de tendencia para la generación de voltaje en el STG-Al fue la siguiente:
𝐕 = 𝟏𝟕. 𝟐𝟔𝟖𝟎(𝐓) − 𝟐. 𝟎𝟐𝟎𝟖 R² = 0.9246
Donde:
V: En mV
T: En grados Celsius (°C)
Cada una de las celdas Peltier conectadas en serie podrían estar funcionando como pequeños generadores (baterías), de tal forma que el voltaje total del sistema es la suma resultante de todos los voltajes individuales generados. Como lo sugieren Montecucco et al (2014) la conexión eléctrica en serie permite capturar más energía disponible y minimizar las pérdidas de calor por cableado y uniones electrónicas.
Los factores de área de captación y la celda Peltier adicional conectada en serie nos dan muestras de coherencia en los resultados obtenidos con los del trabajo de Espejo y Plasencia (2018), ya que ellas concluyen que al aumentar el área de transferencia de calor se incrementa el voltaje generado en el sistema (Espejo y Plasencia, 2018:26). Respecto a la mayor cantidad de celdas Peltier utilizadas, esto hará, como se mencionó anteriormente, que aumente la generación de voltaje porque la conexión en serie hace que se sumen cada voltaje individual que cada celda genera para obtener el voltaje total del sistema (Montecucco et al, 2014:49). Cabe resaltar que se utilizaron celdas Peltier TEC1-12706 en ambos casos, y que en el presente trabajo no se usó pasta térmica en las uniones entre la placa de metal y las celdas Peltier como si se usó en el trabajo de Espejo y Plasencia (2018). Este último factor podría haber disminuido la cantidad de calor transferido de la placa de metal a las celdas Peltier ya que en configuraciones electrónicas la pasta térmica se usa para orientar el calor hacia un metal disipador.
Ec. 03
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Para la presente investigación no se usó un disipador de calor en cada una de las caras de las celdas Peltier. Normalmente para el uso de la celda Peltier se utiliza un disipador en la cara caliente cuando se requiere para refrigerar (mediante el efecto Peltier). Esto se hace para regular la temperatura de la cara caliente y evitar que dicho calor que produce la temperatura elevada pase al lado frío por conducción haciendo inestable la celda Peltier. Lo que se consigue con un disipador (y un ventilador) es que el calor no funda los termopares de la celda, ya que por más que sean aislantes térmicos pueden llegar a calentarse demasiado y estropearse, además de la transferencia de calor antes mencionado hacia la cara fría (Catalán, 2014:26). Ésta transferencia de calor a través de la propia celda Peltier, en ausencia de un disipador, evitó que se obtengan mayores diferenciales de temperatura ya que por éste problema se aumenta la temperatura de la cara inferior. Todo esto trae como consecuencia que no se obtuviera una mayor generación de voltaje en el presente trabajo (figura 12).
(a) (b)
Figura 12. Esquema de la transferencia de calor sin disipador (a) y con disipador (b).
Mientras en el primer caso el calor no usado transferido aumenta la temperatura del lado inferior de las celdas Peltier, en el segundo caso ese calor es disipado manteniendo el lado
inferior de las celdas a una temperatura más baja.
Celdas peltier
Calor no usado transferido
Disipador Ventilador Calor disipado
Rayos solares
Placa de aluminio
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3.1.2. Influencia del diferencial de temperatura en la generación de amperaje en STG-Al
Se analizó la influencia de la variación de temperatura sobre la generación de amperaje (uA).
Los resultados que se obtuvieron del Sistema Termogenerador con placa de aluminio (STG- Al), respecto a la generación de amperaje para cada diferencial de temperatura generado, se muestran en el anexo 1, tabla 1, y en la figura 13.
Figura 13: Generación de amperaje (uA) vs diferencial de temperatura (°C) en el Sistema Termogenerador con placa de aluminio (STG-Al).
Los resultados, observados en la figura 13, no muestran una linealidad sino una dispersión con un límite superior de generación de 20.40 uA. El sistema generó un diferencial máximo de temperatura hasta 32.70 °C. La conexión en serie hizo que el amperaje total del sistema sea el valor más bajo que da alguna de todas las celdas Peltier conectadas. Como consecuencia de esto último, la generación de amperaje fue bajo, pero empieza a ser más disperso a medida que se aumenta el diferencial de temperatura, esto agregado a la ausencia de disipadores de calor, mencionado anteriormente, que aumenta ésta tendencia. Si bien,
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00
Amperaje (uA)
Diferencial de Temperatura (°C)
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como mencionó Montecucco et al (2015), la conexión en serie hace que el efecto de pérdida de energía por el cableado y las uniones electrónicas se minimice, el efecto que produjeron el tipo de conexión en el amperaje y las demás variables descritas, al parecer, superaron dicha ventaja en éste caso (Montecucco et al, 2014:53).
3.2. SISTEMA TERMOGENERADOR CON PLACA DE COBRE (STG-Cu)
3.2.1. Influencia del diferencial de temperatura en la generación de voltaje en STG-Cu
Se analiza la influencia de la placa de cobre, y el diferencial de temperatura a consecuencia de esto, en la generación de voltaje (mV). Como se mencionó en párrafos anteriores, se va a evaluar la presencia de un metal como captador de energía para concentrar la energía solar y así provocar un aumento en la temperatura de la parte superior de las celdas. Los resultados, respecto al voltaje generado, se muestran en el anexo 1, tabla 2, y en la figura 14.
Figura 14: Generación de voltaje (mV) vs diferencial de temperatura (°C) en el Sistema Termogenerador con placa de cobre (STG-Cu).
y = 19.1110x - 13.8340 R² = 0.8516
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 10 20 30 40 50
Voltaje (mV)
Diferencial de Temperatura (°C)
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Se observa, en la figura 14, que el voltaje que se generó en éste sistema se incrementa linealmente con el diferencial de temperatura en mayor medida a bajos valores de diferencial, esto en forma similar al sistema termogenerador STG-Al. Además, se puede notar que a partir de aproximadamente los 5 °C, de diferencial de temperatura, el sistema generó voltajes de manera un poco dispersa pero guardando el sentido de aumento lineal lo cual lo demuestra su ecuación de la recta de tendencia lineal. Esta dispersión es aún más pronunciada en comparación con el sistema termogenerador STG-Al.
La ecuación de la línea de tendencia para la generación de voltaje en el STG-Cu fue la siguiente:
𝑽 = 𝟏𝟗. 𝟏𝟏𝟏𝟎(𝐓) − 𝟏𝟑. 𝟖𝟑𝟒𝟎 R² = 0.8516
Donde:
V: En mV
T: En grados Celsius (°C)
Lo que ocurrió en el sistema termogenerador STG-Cu es una mayor capacidad de generar diferenciales de temperatura más altos en virtud de la mayor conductividad térmica del cobre (Tabla N°2), lo que hizo que se transmita más calor hacia las caras de las celdas Peltier. La dispersión a mayores diferenciales de temperatura podría deberse a la inestabilidad provocada por la ausencia de disipadores (comentado anteriormente). Por otro lado, la configuración de conexión en serie de las celdas evitó una caída de voltaje en el sistema.
Esto podemos analizarlo en función de lo estudiado por Montecucco et al (2014) (Montecucco et al, 2014:53).
Ec. 04
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3.2.2. Influencia del diferencial de temperatura en la generación de amperaje en STG-Cu
Se analiza la influencia de la placa de cobre y la variación de temperatura en la generación de amperaje (uA) para el STG-Cu. Los resultados, respecto al amperaje generado, se muestran en el anexo 1, tabla 2, y en la figura 15.
Figura 15: Generación de amperaje (uA) vs diferencial de temperatura (°C) en el Sistema Termogenerador con placa de cobre (STG-Cu).
Se observa, en la figura 15, respecto a la generación de amperaje en éste sistema, que ocurrió algo inusual. La generación de amperaje tuvo un comportamiento lineal hasta
y = 0.5943e0,1401x R² = 0.6872
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00
Amperaje (uA)
Diferencial de Temperatura (°C)
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aproximadamente los 20 °C cuando empezó a hacerse inestable y a crecer de manera más o menos exponencial.
La ecuación de la línea de tendencia para la generación de amperaje en el STG-Cu fue la siguiente:
𝑨 = 𝟎. 𝟓𝟗𝟒𝟑. 𝒆𝟎.𝟏𝟒𝟎𝟏(∆𝑻) R² = 0.6872 Donde:
A: En uA
T: En grados Celsius (°C)
La gran cantidad de calor transmitido y las características térmicas del cobre pudieron permitir que se alcancen diferenciales altos debido a éstas propiedades. Esto no es ideal por la configuración adoptada en el presente experimento, ya que se observan caídas de amperaje a mayores diferenciales de temperatura. Esta alteración fue leve para la generación de voltaje, sin embargo, es significativa si tomamos en cuenta que el amperaje depende de 1 de las 12 celdas Peltier conectadas en serie y de la más baja generación (Montecucco et al, 2014:53).
3.3. COMPARACIÓN ENTRE LOS SISTEMAS TERMOGENERADORES CON PLACA DE ALUMINIO (STG-Al) Y PLACA DE COBRE (STG-Cu)
3.3.1. Comparación respecto a la influencia del diferencial de temperatura en el voltaje generado en STG-Al y STG-Cu
Se realiza una comparación entre las generaciones de voltaje de los dos sistemas analizados (STG-Al y STG-Cu). Lo mencionado anteriormente se muestra en la figura 16.
Ec. 05
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Figura 16: Generación de voltaje (mV) vs diferencial de temperatura (°C) en los Sistemas Termogeneradores con placa de aluminio (STG-Al) y placa de cobre (STG-Cu)
Como podemos observar, en la figura 16, no se observan diferencias significativas en el comportamiento respecto a la generación de voltaje. La línea de tendencia muestra una pendiente más pronunciada en el caso del sistema con placa de cobre (STG-Cu), esto debido a la mayor capacidad calorífica y coeficiente de transferencia de calor del cobre, haciendo que la energía solar que llega a ésta placa se almacene en mayor cantidad y se traslade por conducción con mayor velocidad que en el caso del sistema con placa de aluminio (STG- Al). Esto hizo que el sistema con placa de cobre (STG-Cu) sea ligeramente mejor que el
y = 17.2680x - 2.0208 R² = 0.9246 y = 19.1110x - 13.8340
R² = 0.8516
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00 700,00 800,00 900,00
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00
Voltaje (mV)
Diferencial de Temperatura (°C)
STG-Al
STG-Cu
Lineal (STG-Al)
Lineal (STG-Cu)
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sistema con placa de aluminio (STG-Al) en lo que respecta a generación de voltaje. Solo hubo una diferencia mínima y, aun cuando existe cierta inestabilidad y disminución de la generación por la ausencia de disipadores, el sistema con placa de cobre (STG-Cu) genera más voltaje que el sistema con placa de aluminio (STG-Al) a partir de aproximadamente un diferencial de temperatura de 35 °C.
Cabe resaltar que las temperaturas inferiores no permanecieron a una misma temperatura aún con el tecnopor como aislante y las mismas celdas Peltier, y esto es debido al problema de ausencia de disipadores de calor, mencionado anteriormente, en la cara inferior de las celdas Peltier. Lo que posiblemente estuvo pasando es que todo el calor (excepto la que se usa para hacer el efecto Seebeck en la celda Peltier) que se concentró en la parte superior pasó por conducción a la parte inferior teniendo al tecnopor y a las celdas Peltier en su camino. La zona inferior del sistema con placa de cobre (STG-Cu) se calentó más que la correspondiente zona inferior del sistema con placa de aluminio (STG-Al), debido a que hay mayor transferencia de calor del cobre por conducción hacia este lado inferior (figura 17).
Figura 17. Esquema sobre el calor transferido no usado por las celdas Peltier (sin considerar el efecto Seebeck) de las caras superiores a las inferiores. La parte inferior se
calienta por el calor transferido por conducción.
Celdas peltier
Calor no usado transferido
T1 < T2
Rayos solares
Placa de aluminio Placa de cobre
Temperatura inferior elevada
(T1)
Temperatura inferior elevada
(T2)
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Para esto último se puede usar pasta térmica (la cual no se usó en ésta investigación), para orientar la energía en forma de calor y se traslade hacia la celda Peltier, evitando perdidas y variaciones en la cantidad que absorbe cada una de ellas.
El sistema con placa de cobre (STG-Cu) generó 22.41% más voltaje que el sistema con placa de aluminio (STG- Al), para un diferencial de temperatura aproximado de 32.67 °C en ambos casos.
3.3.2. Comparación respecto a la influencia del diferencial de temperatura en el amperaje generado en STG-Al y STG-Cu
Se realiza una comparación entre las generaciones de amperaje de los dos sistemas analizados (STG-Al y STG-Cu), lo cual se muestra en la figura 18.
Figura 18: Generación de amperaje (uA) vs diferencial de temperatura (°C) en los Sistemas Termogeneradores con placa de aluminio (STG-Al) y placa de cobre (STG-Cu).
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00
Amperaje (uA)
Diferencial de Temperatura (°C)
STG-Al
STG-Cu
Exponencial (STG-Cu)
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Se observa, en la figura 18, para el sistema con placa de aluminio (STG-Al) se obtuvieron valores que permanecen dentro de un rango de 0 a 20.40 uA, siendo muy disperso, y un diferencial de temperatura máximo de 32.70 °C. Por otro lado, para el STG-Cu, la generación de amperaje tuvo un comportamiento similar hasta cerca de los 21 °C en donde empieza a subir de manera exponencial teniendo un comportamiento disperso entre los rangos de 21
°C y cerca de los 45 °C, siendo este último diferencial de temperatura el límite generado por el sistema STG-Cu. La generación de amperaje en ambos sistemas nos dio valores similares hasta aproximadamente un diferencial de temperatura de 25 °C, en donde la generación por parte del sistema con placa de cobre empezó a elevarse.
Las celdas se comportan como pequeñas baterías con su respectivo voltaje y amperaje, sin embargo, al ser la fuente de energía la radiación solar concentrada en las placas de metal, el flujo de electrones pudo haber sido influenciado por el calor que baja de la zona superior a través de las celdas Peltier, aumentado por la ausencia de un disipador de calor en la parte inferior. Esto provocó una caída de flujo de electrones luego de una elevada generación de amperaje. Esta inestabilidad explicaría algunos datos obtenidos en el sistema STG-Cu, donde a diferenciales de temperaturas elevadas se obtuvieron algunos datos de amperaje bajos.
El sistema con placa de cobre (STG-Cu) generó 294.06% más amperaje que el sistema con placa de aluminio (STG- Al), para un diferencial de temperatura aproximado de 30.90 °C en ambos casos.
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IV. CONCLUSIONES
En el presente trabajo de investigación se obtuvieron las siguientes conclusiones:
1. La placa de cobre genera mayor voltaje que la placa de aluminio, la cual aumenta con el diferencial de temperatura.
2. La generación de amperaje con la placa de aluminio (STG-Al) es muy poca y dispersa, sin embargo, con el sistema de cobre (STG-Cu) a partir de una diferencia de temperatura aproximadamente de 21 °C, el amperaje tiende a incrementarse exponencialmente.
3. El sistema con placa de cobre (STG-Cu) genera 22.41% más voltaje que el sistema con placa de aluminio (STG- Al), para un diferencial de temperatura aproximado de 32.67 °C.
4. El sistema con placa de cobre (STG-Cu) genera 294.06% más amperaje que el sistema con placa de aluminio (STG- Al), para un diferencial de temperatura aproximado de 30.90 °C.
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V. RECOMENDACIONES Se recomienda lo siguiente:
1. Completar el estudio de la generación de energía mediante la inclusión de una batería, de tal forma que se evalué que tanto podemos adaptarlo a las necesidades en la realidad.
2. Mejorar el sistema de contacto entre las placas de metal mediante el uso de pasta térmica.
3. Incluir en la parte inferior de sistema unos disipadores de calor para producir un mayor diferencial de temperatura y estabilidad en el sistema.
4. Experimentar la conexión de las celdas Peltier en paralelo o mixtas para tener otros resultados respecto al amperaje generado.
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VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Baranowski L., Snyder G., Toberer E. (2012). Concentrated solar thermoelectric generators. Energy and Environmental Science, 5, 9055-9067.
Belda Hériz, I. (2018). Economía Circular. Un nuevo modelo de producción y consumo sostenible. 1ra ed. Madrid: Editorial Tébar Flores.
Catalán J. (2014). Materiales Termoeléctricos. Aplicaciones para la refrigeración y la Generación de Electricidad. Tesis de Grado. Universidad de Zaragoza. España.
González Velasco J. (2009). Energías Renovables. 1ra ed. Barcelona: Editorial Reverté.
Jeyashree Y., Sukhi Y., Vimala A., Lourdu S., Indirani S. (2020). Concentrated solar thermal energy harvesting Bi2Te3 based thermoelectric generator. Materials Science in Semiconductor Processing, 107, 1.
Kishore R., Priya S. (2018). A Review on Low-Grade Thermal Energy Harvesting:
Materials, Methods and Devices. Materials, 18, 1433-1477.
Lashin A., Turkestani M., Sabry M. (2020). Performance of a Thermoelectric Generator Partially Illuminated with Highly Concentrated Light. Energies, 13, 3627-2638.
Biblioteca de Facultad de Ingeniería Química
Lv S., He W., Hu Z. Jinwei M., Chen H., Feiyang S., Minghou L. (2019). Experimental investigation of solar thermoelectric (STEG) cogeneration system. Energy Procedia, 158, 892-897.
Memon S., Mihreteab M., Katsura T., Radwan A., Zhang S., Serageldin A., Abo-Zahhad E.
(2020). Experimental and theoretical performance evaluation of parabolic trough mirror as solar termal concentrator to thermoelectric generators. International Journal os Solar Thermal Vacuum Engineering, 1, 22-38.
Merino Gutiérrez B. G. (2017). Diseño e implementación de un sistema de climatización automatizada para personas con discapacidades físicas. Tesis de Grado. Universidad Nacional de Piura, Perú.
Mirmanto M., Syahrul S., Wirdan Y. (2019). Experimental performances of a thermoelectric cooler box with thermoelectric position variations. Engineering Science and Technology an Internacional Journal, 22, 177-184.
Mohamed H., Dhafer A., Mohd F., Suhana B., Masjuki H., Mohamed B., Mahazani M.
(2014). A review on thermoelectric renewable energy: Principle parameters that effect their performance. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30, 337-355.
Montecucco A., Siviter J., Knox A. (2014). The effect of temperature mismatch on thermoelectric generators electrically series and parallel. Applied Energy, 123, 47- 59.
Biblioteca de Facultad de Ingeniería Química
Múnera Cano, A. F. (2012). Desarrollo de un modelo matemático fenomenológico que permita simular el comportamiento de sistemas termoeléctricos. Tesis de Maestría.
Universidad Nacional de Colombia – Sede Medellín, Colombia.
Negash A., Kim T., Cho G. (2017). Effect of electrical array configuration waste of thermoelectric modules on heat recovery of thermoelectric generator. Ensors and Actuators, 260, 212 – 219.
Ormaetxea A. (2019). América Latina duplicará su demanda de electricidad en veinte años.
Recuperado el 30 de Octubre de 2020, de
https://www.expansion.com/latinoamerica/iberoamericana-empresarial/.
Young H., Freedman R. (2013). Física Universitaria. Vol. 1. 13va ed. México: Editorial Pearson.
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ANEXOS ANEXO 1: TABLAS DE RESULTADOS
Tabla 1. Datos obtenidos respecto al Sistema Termogenerador con placa de Aluminio (STG-Al).
Sistema Termogenerador con Placa de Aluminio (STG-Al) N° Ti (°C) Ts (°C) Dif. T (°C) V (mV) A (uA)
1 31.40 60.35 28.95 491.20 12.46
2 30.16 54.32 24.16 384.00 20.40
3 23.84 38.10 14.26 181.20 9.47
4 22.10 29.02 6.92 72.00 4.96
5 23.86 40.72 16.86 277.20 9.97
6 29.44 57.02 27.58 451.40 4.63
7 33.14 65.60 32.46 519.60 3.67
8 32.00 64.06 32.06 506.40 6.91
9 27.98 45.62 17.64 383.00 16.57
10 24.34 32.02 7.68 79.60 5.60
11 24.94 46.58 21.64 416.20 6.64
12 28.96 59.32 30.36 526.00 5.07
13 29.24 60.48 31.24 482.40 2.28
14 26.68 46.08 19.40 219.40 12.60
15 24.46 42.98 18.52 386.00 6.65
16 29.58 59.22 29.64 483.60 5.92
17 30.32 60.48 30.16 490.00 1.45
18 30.50 61.72 31.22 494.00 2.25
19 29.22 49.64 20.42 322.40 4.84
20 26.72 41.90 15.18 199.80 7.84
21 22.10 27.56 5.46 46.60 3.18
22 24.36 41.90 17.54 342.80 6.20
23 29.52 62.22 32.70 606.80 2.23
24 27.88 55.30 27.42 493.80 2.48
25 24.88 34.54 9.66 147.00 4.56
26 19.90 28.50 8.60 175.00 5.73
27 21.90 34.70 12.80 241.00 9.42
28 20.90 30.50 9.60 151.00 2.83
29 20.20 30.60 10.40 158.00 3.33
30 19.20 25.30 6.10 97.00 1.57
31 17.30 18.60 1.30 15.00 0.07
32 17.20 17.70 0.50 3.00 0.01
33 19.80 27.50 7.70 200.00 7.91
34 24.60 40.30 15.70 275.00 2.27
35 24.40 42.60 18.20 262.00 1.53
36 19.80 24.10 4.30 47.00 1.34
37 16.90 17.10 0.20 4.00 0.02
38 20.50 30.70 10.20 285.00 1.09
39 27.60 58.40 30.80 613.00 17.00
40 28.20 57.30 29.10 535.00 15.00
41 24.40 41.50 17.10 268.00 6.15
42 19.40 22.70 3.30 66.00 2.12
43 21.50 33.40 11.90 306.00 2.85
44 26.30 55.00 28.70 601.00 3.89
