ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA · 3.11 Generador termoeléctrico con soporte mecánico (Primer prototipo). 38 3.12 Generador termoeléctrico solar inicial

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR

TERMOELÉCTRICO DE ESTADO SÓLIDO EMPLEANDO UN

CONCENTRADOR SOLAR

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN

VÍCTOR ALFREDO ÁLVAREZ HERNÁNDEZ

HÉCTOR DE LA O DE LA BARRERA

ASESORES

ING. JOSÉ ANTONIO URBANO CASTELÁN

M. EN C. RENE TOLENTINO ESLAVA

MÉXICO, D. F. MAYO, 2014

.INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO

POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN

DEBERA(N)DESARROLLAR

INGENIERO ELECTRICISTA

TESIS COLECTIVA Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL

VICTOR ALFREDO ÁLVAREZ HERNÁNDEZ

HÉCTOR DE LA O DE LA BARRERA

"CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR TERMOELÉCTRICO DEL ESTADO SÓLIDO EMPLEANDO UN CONCENTRADOR SOLAR" .

CONSTRUIR UN GENERADOR TERMOELÉCTRICO DEL ESTADO SÓLIDO EMPLEANDO UN CONCENTRADOR SOLAR.

>- INTRODUCCIÓN.

>- GENERADOR TERMOELÉCTRICO SOLAR.

>- CONCENTRADORES SOLARES.

>- DESARROLLO DEL GENERADOR TERMOELÉCTRICO SOLAR.

>- PRUEBA Y ANÁLISIS DEL GENERADOR TERMOELÉCTRICO SOLAR.

>- CONCLUSIONES.

MEXICO D.F., A 21 ABRIL DEL 2014.

ASESOR

CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE GENERADOR TERMOELÉCTRICO DE ESTADO SÓLIDO EMPLEANDO UN CONCENTRADOR SOLAR

AGRADECIMIENTOS

Héctor De la O De la Barrera.

Me gustaría dar las gracias a todas aquellas personas que han hecho posible este proyecto

de tesis. Primero principalmente, a Alonso De la O Ramón y Angélica De la Barrera Moreno,

mis padres y maestros. Les estaré eternamente agradecido por su constante apoyo

incondicional. Yo soy muy privilegiado por su amor y su paciencia.

A Luis De la O De la Barrera, mi hermano, por su constante apoyo y amistad. Su ejemplo

como estudiante me ha motivado a alcanzar mis metas. A mis amigos Sergio Herrera García

y Víctor Álvarez Hernández que han sido mis compañeros en trabajos y proyectos, gracias a

sus contribuciones he alcanzado esta meta.

También quiero agradecer a mis maestros a lo largo de mi carrera especialmente aquellos

que se esforzaron por enseñar y de los cuales aprendí bastante, fueron pocos pero valió la

pena, al Ing. José Antonio Urbano Castelán por su apoyo en el desarrollo del proyecto, por

el material que nos proporcionó para construir el termogenerador eléctrico solar y su guía.

Además quiero agradecer al Ing. René Tolentino Eslava por corregir la parte escrita del

trabajo y su disciplina a lo largo del proyecto.

Deseo agradecer al Instituto Politécnico Nacional, en este caso a la Escuela Superior de

Ingeniería Mecánica y Eléctrica por dejarme ser parte de esta histórica institución y darme las

herramientas necesarias para ser un ingeniero eléctrico capaz de desenvolverme en el

ámbito laboral, a todos aquellos que no mencione que también fueron parte de mi formación

profesional gracias.


Víctor Alfredo Álvarez Hernández.

Agradezco a mi familia por el apoyo incondicional que siempre me han prestado en toda la

carrera que se cursó gracias, a mi mamá Valentina Hernández García así como a mi papá

Víctor Álvarez García que me dieron los suficientes recursos necesarios para seguir

trabajando, las enseñanzas que me brindaron fueron básicas para que yo haya terminado

este trabajo y ser alguien en la vida. La vida está llena de sorpresas en la cual uno puede

caer pero decide uno si se levanta o no.

Estar en la carrera estos 4 años y medio también fueron para mí una gran formación, en

especial a los profesores Rene Tolentino, y Guilibaldo Tolentino por la instrucción necesaria

que recibí, así como a mi compañero Héctor De la O De la Barrera que estuvo trabajando

conmigo para que se hiciera posible este trabajo final. Al igual que a Dios por permitirme vivir

así como de las capacidades suficientes para poder hacer las cosas, sin él no seriamos

nada.

Al Instituto Politécnico Nacional que fue una gran institución en el cual, esta carrera de

Ingeniería Eléctrica solo se ofrece en la ESIME Zacatenco que fue una de las mejores

carreras que he recibido para poder hacer por el país algo mas y este siga progresando.


CONTENIDO

Pág.

Relación de figuras.

Relación de tablas.

Nomenclatura.

Resumen.

Introducción.

Capítulo 1: Generador termoeléctrico solar.

i

iii

iv

v

vi

1

1.1.- Efecto Seebeck, módulo termoeléctrico comercial. 2

1.1.1. Tipos de materiales semiconductores termoeléctricos. 6

1.1.2. Tipos comerciales de módulos termoeléctricos. 7

1.2.- Funcionamiento de los generadores termoeléctricos. 11

1.3.- Aplicación del generador termoeléctrico como fuente de respaldo

en sistemas aislados de energía.

13

Capítulo 2: Concentradores solares.

15

2.1.- Concentradores no colectores. 16

2.1.1.- Concentradores planos. 17

2.1.2.- Concentradores parabólicos compuestos. 18

2.2.- Concentradores colectores. 19

2.2.1.- Concentradores cilindro parabólicos. 20

2.2.2.- Disco Parabólico. 21

2.2.3.- Helióstato. 22

2.3.- Seguimiento solar. 23

Capítulo 3: Desarrollo del generador termoeléctrico solar.

25

3.1.- Selección del concentrador solar. 26

3.2.- Elección del disipador térmico. 28

3.3.- Elección de materiales a emplear en el concentrador solar. 29

3.4.- Cálculo de la capacidad de generación eléctrica. 31

3.5.- Ensamble del concentrador solar y del disipador térmico. 33


.

Capítulo 4: Pruebas y análisis del generador termoeléctrico solar.

40

4.1.- Instrumentación del generador termoeléctrico solar

4.2.- Mediciones y resultados del prototipo.

41

43

4.2.1.- Primer prototipo del generador termoeléctrico solar. 44

4.2.2.- Segundo modificación del generador termoeléctrico. 46

4.2.3.- Tercera modificación del generador termoeléctrico. 47

4.3.- Análisis de la tensión generada con respecto al gradiente de

temperatura.

49

4.4.- Análisis de la corriente con respecto a la tensión generada. 50

4.5.- Análisis de la potencia eléctrica con respecto a la tensión

generada.

51

Conclusiones 56

Bibliografía 58

Anexo: Ficha técnica del módulo Seebeck TEG1-12610-5.1 61


i

RELACIÓN DE FIGURAS

Figura Título Pág.

1.1 Esquema de un módulo termoeléctrico Seebeck [3]. 2

1.2 Diagrama eléctrico de un termopar [4]. 3

1.3 Elementos semiconductores (Telurio, Bismuto, y Antimonio) [5]. 7

1.4 Módulo Seebeck de temperatura baja [6]. 8

1.5 Módulo termoeléctrico segmentado [12]. 9

1.6 Módulo termoeléctrico de una etapa [12]. 10

1.7 Módulo termoeléctrico de tres etapas [13]. 10

1.8 Elementos de un generador termoeléctrico. 12

1.9 Generador termoeléctrico en sondas espaciales [11]. 14

2.1 Concentrador plano [13]. 18

2.2 Concentrador CPC [13]. 19

2.3 Concentrador PTC [13]. 20

2.4 Disco parabólico [13]. 21

2.5 Helióstato [14]. 22

2.6 Tipos de monturas para seguimiento en 2 ejes [15]. 24

3.1 Representación gráfica de una antena parabólica [13]. 27

3.2 Antena parabólica. 27

3.3 Disipador de temperatura Contac 21 [13]. 28

3.4 Módulo Seebeck de 4.5 cm x 4.5 cm (Termogenerador). 30

3.5 Soporte con giro de 360°. 31

3.6 Concentrador solar parabólico (ensamblado con espejos de 6

mm de grosor).

34

3.7 Soporte del concentrador con giro de azimut de 360° y 180° de

altitud solar.

35

3.8 Ensamble de los elementos (termogenerador). 36

3.9 Receptor térmico. 36

3.10 Disipador térmico Contac 21, ensamblado al módulo

termoeléctrico.

37

3.11 Generador termoeléctrico con soporte mecánico (Primer

prototipo).

38

3.12 Generador termoeléctrico solar inicial. 39


ii

Figura

4.1

Titulo

Medición de tensión eléctrica.

Pág.

41

4.2 Medición de la temperatura en el foco caliente. 42

4.3 Medición de la temperatura en el foco frío.

42

4.4 Medición de la corriente eléctrica. 43

4.5 Generador termoeléctrico con soporte. 44

4.6 Gráfica de tensión – Dif. Temperatura del primer prototipo. 45

4.7 Segundo prototipo del generador termoeléctrico. 46

4.8 Gráfica de tensión circuito abierto – Dif. Temperatura. 47

4.9 Generador termoeléctrico final. 48

4.10 Base de aluminio para los espejos. 48

4.11 Cabina del disipador térmico. 49

4.12 Gráfica de Tensión circuito abierto – Dif. Temperatura. 50

4.13 Gráfica de Tensión de circuito abierto con respecto a la

corriente eléctrica generada.

51

4.14 Gráfica de Tensión generada con respecto a la potencia

eléctrica de salida.

53

4.15 Generador termoeléctrico solar final. 54


iii

RELACIÓN DE TABLAS

Tabla Título Pág.

1.1 Materiales Semiconductores [5]. 7

1.2 Parámetros de los módulos termoeléctricos [5]. 8

2.1 Concentradores de energía solar [13]. 17

4.1 Tensión de circuito abierto con respecto a la Dif. De temperatura

(14/10/2013).

45

4.2 Tensión de circuito abierto con respecto a la Dif. De temperatura

(22/10/2013).

47

4.3 Tensión de circuito abierto con respecto a la Dif. De temperatura.

(04/11/2013).

49

4.4 Tensión de circuito abierto con respecto a la corriente eléctrica. 50

4.5 Medición de tensión, corriente y potencia eléctrica total. 52

4.6 Costo de los materiales del generador termoeléctrico solar.

55


iv

NOMENCLATURA

Símbolo Descripción Unidades

A Área m2

Aac Área de intercepción m2

AF Área de absorción m2

E Diferencia de potencial V

I Corriente eléctrica A

K Conductividad térmica W/(K.m)

L Longitud m

M Masa kg

P Potencia eléctrica W

R Resistencia eléctrica Ω

S Coeficiente Seebeck µV/°C

SA Coeficiente Seebeck A µV/°C

SB Coeficiente Seebeck B µV/°C

T Temperatura °C, K

T1 Temperatura metal A °C

T2 Temperatura metal B °C

V Potencial eléctrico V

V Velocidad del motor rpm

Z Factor de merito Adimensional

Coeficiente de

proporcionalidad

Adimensional

Conductividad eléctrica S/m

∆T Diferencia de temperatura °C

Eficiencia Adimensional

Grados de libertad °

CPC Concentradores

parabólicos compuestos

Adimensional

CR Razón de concentración Adimensional

FC Factor de Concentración Adimensional

fem Fuerza electromotriz V

FPC Concentradores planos Adimensional


v

RESUMEN

Se realizó la construcción de un generador termoeléctrico solar utilizando como principio

de funcionamiento el efecto Seebeck , el módulo termoeléctrico es el dispositivo principal

del termogenerador, este mismo tiene la capacidad de generar 3.9 V en tensión y una

potencia de 5.1 W, al ensamblar los elementos que conforman el termogenerador se logró

generar energía eléctrica, también se hizo un análisis de los resultados medidos en el

desarrollo del proyecto, después se realizaron modificaciones en el prototipo para

mejorar su rendimiento y obtener un 85 % de la capacidad de generación del módulo.

En el transcurso del proyecto se adaptó un concentrador solar al módulo y un disipador

térmico para aumentar el gradiente de temperatura para generar tensión atraves del

módulo, se diseñó en base a cargas eléctricas de bajo consumo menor a los 14 V de

tensión como lo son baterías de celulares, tabletas electrónicas, laptops, etc. Se utilizó un

ventilador de 12 V como carga para determinar el rendimiento del termogenerador y en

base a los resultados se realizaron las modificaciones en el diseño para crear el prototipo

definitivo.

Al terminar de adaptar las modificaciones en el prototipo y realizar el análisis de los

resultados medidos del generador termoeléctrico solar se obtuvo que el sistema puede

generar 3.33 V de tensión y una potencia eléctrica de 2.43 W, los cuales se pueden

generar con una diferencia de temperatura de 118 ºC que fue el gradiente de temperatura

más alto que se obtuvo del termogenerador, las condiciones en las que se realizaron las

pruebas finales mostraron que el generador termoeléctrico puede satisfacer cargas

eléctricas de consumo equivalentes a la capacidad del módulo que se utilizó que fue

cercano a los 4 V.

El sistema de termogeneración solar que se construyó debe optimizarse aún más ya que

mientras se alcance la eficiencia termodinámica ideal que es cercana a los 150 °C que en

este caso es lo que necesito el módulo que se ocupó, de esta forma se puede generar y

utilizar energía limpia que se puede usar en dispositivos electrónicos que consumen una

baja tensión eléctrica como celulares, laptops, etc. De manera que se obtiene energía

eléctrica durante un tiempo considerable que en este caso es de 34 años el tiempo de

vida del módulo Seebeck, y sustituir el uso de baterías eléctricas que contaminan, y de

esta forma sustituirlas por termogeneradores que no afectan el medio ambiente.


vi

INTRODUCCIÓN

Los módulos Seebeck son dispositivos que se encargan de transformar una diferencia de

temperaturas en potencial eléctrico, estos mismos presentan problemas en la

transferencia de calor en sus dos caras, principalmente la fría además de su incapacidad

de absorber temperatura y esto se ve reflejado en su eficiencia termodinámica que es del

5 %. Por lo que se necesita un flujo de calor alto para que el módulo termoeléctrico

funcione, debe alcanzar temperaturas de 100 °C hasta 300 °C dependiendo el módulo

que se utilice.

El propósito del proyecto fue construir un generador termoeléctrico que opere por medio

de la radiación solar concentrada. Para ello en el proyecto se construyó un concentrador

solar parabólico por medio de elementos reflejantes como espejos capaz de proporcionar

una temperatura de 143 °C en el foco caliente del módulo Seebeck TEG1-12610-5.1. Del

mismo modo en la cara fría se le agrego un disipador térmico Contac 21 teniendo una

temperatura de disipación de 21 °C.

Para mantener la diferencia de temperatura 118 °C el concentrador contara con una base

para seguir al Sol a través del día el cual tiene los dos movimientos altitud, azimut y

obtener una mayor eficiencia de este mismo. Como resultado de este fenómeno

termoeléctrico su potencial eléctrico de generación del módulo Seebeck fue cercano a los

4 V de tensión generada capaz de alimentar cargas eléctricas de bajo consumo como

baterías de celulares, tabletas electrónicas, etc. Por eso el objetivo era construir un

prototipo de un generador termoeléctrico solar para satisfacer esas necesidades.

Para lograr lo anterior este trabajo está compuesto de 4 capítulos, en el capítulo uno se

describe lo que es el efecto Seebeck, los tipos de módulos comerciales que existen y las

características internas de los termopares que componen al módulo termoeléctrico. En el

capítulo dos se mencionan los tipos de concentradores solares que existen en la

actualidad y que se adaptan a las necesidades del termogenerador solar. El capítulo tres

muestra el desarrollo de la construcción del generador termoeléctrico solar, se describen

las características y los primeros resultados del termogenerador. Por último el capítulo

describe las pruebas y las mediciones del generador termoeléctrico, al igual se describen

las modificaciones que se realizaron para obtener el prototipo definitivo. Finalmente se

presentan las conclusiones obtenidas en este trabajo.


CAPÍTULO 1

GENERADOR

TERMOELÉCTRICO SOLAR


2

1.1.- Efecto Seebeck, módulo termoeléctrico comercial.

El primer efecto de la termoelectricidad fue descubierto en 1821 por Thomas Johann

Seebeck, el cual lo denominó con su propio nombre: efecto Seebeck. Este efecto

termoeléctrico define que una diferencia de temperatura puede convertirse en electricidad.

Seebeck (1770-1831) al observar que la aguja de una brújula se desviaba cuando se

formaba un circuito cerrado de dos metales distintos unidos formando un circuito de dos

empalmes, el cual absorbía una diferencia de temperatura entre las uniones del circuito,

descubrió accidentalmente un campo magnético en el cual fluía una corriente eléctrica

debido a la diferencia de temperatura entre los dos polos de la unión (figura 1.1).

Este fenómeno termoeléctrico, denominado el efecto Seebeck es la base sobre la que se

diseñan los módulos termoeléctricos Seebeck. Un módulo termoeléctrico Seebeck es un

circuito hecho de dos metales distintos, que produce un potencial eléctrico como resultado

de la diferencia de temperatura entre un extremo denominado “punto caliente” y otro

“punto frío”. El efecto Seebeck que desarrollan este tipo de módulos es inverso al efecto

Peltier, descubierto en 1834 por el físico francés Jean Peltier (1785-1845) [2] y otros

fenómenos relacionados con este mismo como el efecto Thomson el cual también es un

fenómeno termodinámico.

Figura 1.1: Esquema de un módulo termoeléctrico Seebeck [3].

Esto se debe a que los metales responden diferente a la diferencia de temperatura,

creando una corriente eléctrica en el circuito, que produce un campo magnético. Seebeck,

en ese momento no reconoció una corriente eléctrica implicada, así que llamó al

fenómeno efecto termomagnético, pensando que los dos metales quedaban

magnéticamente polarizados por el gradiente de temperatura. Después Hans Christian

Oersted jugó un papel vital en la concepción del término “termoelectricidad”.

http://es.wikipedia.org/wiki/Br%C3%BAjula

http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico

http://es.wikipedia.org/wiki/Hans_Christian_%C3%98rsted

http://es.wikipedia.org/wiki/Hans_Christian_%C3%98rsted


3

El efecto es que la fuerza electromotriz se crea en presencia de una diferencia

de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Esto ocasiona una

corriente continua en los conductores formando un circuito completo. La diferencia de

potencial creada es del orden de µV/°C. Una de esas combinaciones, cobre-constatano,

tiene un coeficiente Seebeck de 41 µV/°C a temperatura ambiente. En el circuito siguiente

el potencial eléctrico obtenido puede ser derivado de la siguiente forma (figura 1.2)[1]:

V =

- (T)) dT (1.1)

Dónde: SA y SB = Coeficientes, en µV/°.

T1 y T2 = Temperaturas de los dos metales.

Los coeficientes Seebeck también son llamados potencia termoeléctrica o termopotencia,

en este caso aplicando el ejemplo a los subíndices de los metales A y B en función de la

temperatura.

Figura 1.2: Diagrama eléctrico de un termopar [4].

Los coeficientes Seebeck son lineales en función de la temperatura y dependen de la

misma, del material y de la estructura molecular de los conductores. Si los coeficientes

Seebeck son efectivamente constantes para el intervalo de temperatura medida, la

ecuación anterior puede aproximarse como:

V = (SB – SA) (T2 – T1) (1.2)

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

http://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor

http://es.wikipedia.org/wiki/Cobre

http://es.wikipedia.org/wiki/Termopotencia


4

La diferencia de potencial es proporcional a la diferencia de las temperaturas a que se

encuentran las juntas soldadas del circuito termoeléctrico:

E = α T (1.3)

O en forma diferencial

dE = αdT (1.4)

Dónde:

E = FEM termoeléctrica en V.

= es un coeficiente de proporcionalidad adimensional.

De la ecuación (1.3) se deduce que es numéricamente igual al valor de la FEM

termoeléctrica que aparece en el circuito cuando la diferencia de temperaturas a la que se

hallan las caras es igual a 1 °C. En el caso general, la magnitud es función de la

temperatura. No obstante, para simplificar se considera que no depende de la

temperatura. Ahora integrando la ecuación (1.2.), y considerando que se

obtiene [1]:

E1 – E2 = (T1 – T2) (1.5)

Dónde los subíndices 1 y 2 se refieren a las juntas soldadas, caliente y fría,

respectivamente del circuito termoeléctrico. Si este circuito se cierra por medio de una

resistencia eléctrica exterior cualquiera (devanado de un motor eléctrico, calentador

eléctrico, etc.), en el circuito termoeléctrico se producirá una corriente. Si se invierten las

temperaturas de las juntas soldadas (si la junta que estaba a la temperatura T1 se coloca

en el medio cuya temperatura es T2, y la otra junta, que se encontraba a la temperatura T2

se ubica en medio, la temperatura es T1), en el circuito se producirá una corriente igual en

magnitud a la que existía cuando las juntas estaban a las temperaturas anteriores, pero

que circulara en sentido contrario [3]. El factor de mérito para dispositivos termoeléctricos

se define como:


5

(1.6)

Dónde:

S = es la conductividad eléctrica en S/m.

K = es la conductividad térmica en W/((K).(m)).

Z = es el coeficiente de Seebeck o termopotencia (convencionalmente en

V/°C

Esto se expresa más comúnmente como la cifra adimensional de mérito ZT

multiplicándola con la temperatura media ((T2 + T1) / 2). Los valores más grandes de ZT

indican una mayor eficiencia termodinámica, sujeto a ciertas disposiciones, en particular el

requisito es que los dos materiales de la pareja tienen valores de Z similares. Por lo tanto,

ZT es una figura muy conveniente para la comparación de la eficacia potencial de los

dispositivos que utilizan diferentes materiales. Los valores de ZT = 1 se consideran

buenas, y los valores de al menos en promedio de 3 a 4 se consideran esenciales para

termoeléctricas para competir con la generación mecánica y refrigeración en la eficiencia.

Hasta la fecha, los mejores valores de ZT reportados han estado en el intervalo de 2 a 3.

En los materiales termoeléctricos se ha centrado en aumentar el coeficiente de Seebeck y

la reducción de la conductividad térmica, en especial mediante la manipulación de la

nanoestructura de los materiales [4]. El efecto Seebeck se usa comúnmente en

dispositivos llamados termopares (porque está hecho de una unión de materiales,

generalmente metales) para medir una diferencia de temperatura directamente o para

medir una temperatura absoluta colocando un extremo a una temperatura conocida.

Una sonda metálica mantenida a una temperatura constante en contacto con un segundo

metal de composición desconocida puede clasificarse por este efecto termoeléctrico.

Instrumentos de control de calidad industriales usan este efecto Seebeck para identificar

aleaciones metálicas lo cual se conoce como clasificación termoeléctrica de la aleación.

Varios termopares cuando se conectan en serie son llamados termopila, la cual se

construye a veces para aumentar la diferencia de potencial de salida ya que este

potencial eléctrico inducido sobre cada acople es bajo.

http://es.wikipedia.org/wiki/Termopar

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Termopila&action=edit&redlink=1


6

1.1.1. Tipos de materiales semiconductores termoeléctricos.

El proceso de termoelectricidad sólo ocurre en ciertos materiales especialmente en los

semiconductores (los materiales con los que se fabrican los micro-controladores). El

problema fundamental para crear materiales termoeléctricos eficientes es que necesitan

ser muy buenos transmitiendo la electricidad pero no el calor. Cada material

termoeléctrico tiene propiedades óptimas en un intervalo de temperatura, por ejemplo

para materiales de temperatura baja su intervalo de operación va de 30 °C hasta 176.85

°C corresponde a aleaciones BiTe y su derivado base de Sb y Se.

Para materiales de temperatura media (500 K a 800 K) en específico de aleaciones PbTe,

finalmente para temperatura alta su intervalo alcanza los 1300 K con la aleación SiGe.

Existen otros materiales con buenas propiedades térmicas tales como BiSb de tipo n,

aleaciones de tipo p como (Te-Ge-Sn-Ag) y el compuesto FeSi2 pero su uso está limitado

debido a diversas dificultades técnicas: tasa alta de sublimación o baja resistencia

mecánica o la ausencia de sus respectivas contrapartes en el tipo p o n. La aleación BiTe

tiene muy buenas propiedades termoeléctricas y la gama de aplicaciones es de alrededor

de temperatura ambiente o sea los 21 °C.

El bismuto es un semi-metal, el telurio es un metaloide que uno de los puntos interesantes

de este compuesto es que el coeficiente Seebeck depende de la composición química.

Por lo tanto modificando ligeramente la estequiometria es posible obtener coeficiente

Seebeck positivo o negativo es decir para obtener un material de tipo n o p. Para los

compuestos de teluro de plomo estos se utilizan en las aplicaciones de generación de

energía (figura 1.3) [5].

Actualmente, los materiales termoeléctricos tienen un rendimiento energético bajo, sólo un

8%. Una generación de materiales nueva en la que se añade antimonio y plomo al

semiconductor de teluro de plomo, produce un material termoeléctrico que es más

eficiente en las temperaturas altas que los materiales existentes, alcanzando el 14% de

eficiencia. La meta a largo plazo es alcanzar el 20% de eficiencia.

http://www.cienciapopular.com/n/Tecnologia/OLEDs/OLEDs.php


7

La clave para hacerlos prácticos ha sido crear materiales semiconductores especiales en

los cuales se crearon diminutos patrones para alterar el comportamiento de los

materiales. Esto puede incluir la incorporación de nanopartículas o nanocables en una

matriz de otro material.

Estas estructuras nanométricas interfieren con el flujo de calor pero permiten a la corriente

eléctrica fluir libremente. Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos

químicos y compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el

seleniuro de zinc y el teluro de plomo (tabla 1.1). Para incrementar el nivel de la

conductividad se provocan cambios de temperatura, de la luz o se integran impurezas en

su estructura molecular. Estos cambios originan un aumento del número de electrones

liberados (o bien huecos) conductores que transportan la energía eléctrica.

Tabla 1.1 Materiales Semiconductores [5].

Materiales tipo (P) Materiales tipo (N)

Antimonio Zinc

Silicio Germanio

Figura 1.3: Elementos semiconductores (Telurio, Bismuto y Antimonio) [5].

1.1.2. Tipos comerciales de módulos termoeléctricos.

En los módulos de generación (TGM) hay un factor importante para el desempeño de

estos generadores termoeléctricos (módulos) el cual está directamente relacionado con la

eficiencia de los materiales que lo componen, la pureza, el grado de conductividad

térmica entre otros aspectos (tabla 1.2). Por el momento los fabricantes se concentran en

la eficiencia del proceso de fabricación, ya que los materiales semiconductores aun no

son capaces de aumentar su eficiencia del 5%, por ello solo se enfocan el sistema que

http://www.cienciapopular.com/n/Tecnologia/Nanotecnologia/Nanotecnologia.php


8

lleva acabo el módulo para generar electricidad y comercializar sus generadores con un

alto nivel de confianza.

Algunos factores que también se involucran en su fabricación es la fuerza de presión

aplicada sobre los materiales de la superficie debe ser no menos de 12-15 kg/cm2, así

también la temperatura de la cara caliente no deberá superar los 200 °C, por eso los

módulos termoeléctricos tienen bases de cerámica que protegen los termopares de esta

forma pueden soportar temperaturas más altas. En la tabla 1.2 se muestran los

parámetros de los cristales del módulo.

Tabla 1.2 Parámetros de los módulos termoeléctricos [5].

Tipos de

Cristales

Pureza

Conductividad

Térmica (K)

Seebeck

Resistividad

(ROU)

La figura

de mérito

(Z)

Cristales

tipo P

99.99% 16 – 18 w/cm*c 210 a 235

µV

1050 - 1200 2,55 a

3,410 –K-

Cristales

tipo N

99.99% 18 – 20 w/cm*c 205 a 230

µV

950 - 1200 2,34 a

3,210 –K-

En el módulo de TGM-127-1.0-2.5: 127 termopares (254 elementos termoeléctricos), cada

elemento tiene la sección transversal de 1.0 mm × 1.0 mm y es 2.5 mm de alto (figura

1.4).

Figura 1.4: Módulo Seebeck de temperatura baja [6].


9

Módulo termoeléctrico "segmentado".

En general, los materiales empleados en la fabricación de módulos de conversión

termoeléctrica sólo son eficaces en un determinado intervalo de temperaturas. Así, por

ejemplo, la aleación SiGe usada para alimentar la sonda Voyager sólo es eficaz a

temperaturas superiores a los 1 000 K aproximadamente. En aplicaciones en las que el

intervalo de temperaturas de trabajo es muy grande, se utiliza el módulo termoeléctrico

que está segmentado [11].

Un módulo construido de esta manera permite lograr un rendimiento de conversión del 5

% de eficiencia, la potencia eléctrica o una extracción de calor se determina según el

material del módulo, en este proyecto se utilizó el modelo TEG Modulo TEG1-12610-5.1

que genera una potencia de 5.1 W, lo que indica que es más elevada que si cada rama

estuviera compuesta de un único material. Los mejores rendimientos logrados en

laboratorio con este tipo de módulos son actualmente próximos al 15% de eficiencia (lo

que significa que el 15% del calor que recorre el material es convertido en potencia

eléctrica). Los módulos segmentados resultan mucho más caros que los módulos

"simples", lo que restringe su empleo a aplicaciones en las que el coste no resulta un

factor decisivo a la hora de la elección.

El módulo termoeléctrico segmentado que se ilustra en la figura 1.5 que muestra un

circuito bi-metálico donde se obtiene un gradiente de temperatura de 700 ºC de diferencia

entre la zona caliente y la fría, aunque en la actualidad ningún material conocido es eficaz

en todo este intervalo de temperatura. Cada una de las dos ramas del par está entonces

formada por varios materiales (en el caso representado dos para la rama N y tres para la

rama P). La longitud de cada uno de los materiales se elige de forma que sean utilizados

en el intervalo de temperaturas en el que sean más eficaces.

Figura 1.5: Módulo termoeléctrico segmentado [12].


10

Módulo termoeléctrico de una etapa (Single-Stage).

Estos módulos termoeléctricos son diseñados para soportar medianas temperaturas de un

intervalo de100 °C a 200 °C y requiere de especificaciones de capacidad de bombeo de

calor. Las aplicaciones típicas que se usan en este son: fuentes termales de referencia

para calibración, la estabilización de la temperatura de bolómetros y detectores

ferroeléctricos, matrices de diodos láser en los sistemas de fibra óptica, y el

mantenimiento de viscosidad constante de impresoras de inyección de tinta (figura 1.6).

Figura 1.6: Módulo termoeléctrico de una etapa [12].

Módulo termoeléctrico de varias etapas (Multi-Stage).

Un módulo multi-stage se construye al incrementar el número de etapas y con ello el

número de termopares, en la parte superior de cada etapa del arreglo de termopares

actúa como un disipador de calor, ya que el calor es absorbido por el módulo de la etapa

anterior. Como el número de etapas aumenta la diferencia de temperatura incrementa

por lo que la disipación de calor debe incrementar también. Este sistema tienen un

arreglo de forma piramidal y estos pueden ser de tres o cuatro etapas (figura 1.7) [11].

Figura 1.7: Módulo termoeléctrico de tres etapas [11].


11

1.2.- Funcionamiento de los generadores termoeléctricos.

El principio de funcionamiento de un generador termoeléctrico es que este convierte

directamente el calor en electricidad. El calor induce la circulación de una corriente

eléctrica al fluir desde una fuente de energía calorífica a través del módulo termoeléctrico

(termopila). Para generar electricidad mediante el efecto termoeléctrico se necesitan un

módulo termoeléctrico y una diferencia de temperatura entre ambas caras del mismo.

Dado que la circulación de corriente eléctrica también genera transferencia de calor, las

fuentes caliente y fría deberán aportar y disipar calor continuamente para mantener esa

diferencia (figura 1.8) [9]. En la práctica los elementos básicos de los generadores

termoeléctricos son tres:

1) Fuente caliente: quemador o calefactor catalítico a gas en casi todos los casos

(radiación de calor).

2) Dispositivo de conversión de energía: módulo termoeléctrico o termopila.

3) Fuente fría: disipador de aluminio aletado, tubos refrigerantes o radiadores.

El corazón de un generador termoeléctrico es el módulo termoeléctrico sellado de

elementos semiconductores de plomo-estaño-telurio. Este módulo extremadamente

durable provee un medio químicamente estable a los elementos termoeléctricos

asegurando una larga vida de servicio que va entre 200 000 horas a 300 000 horas. De

un lado de la termopila se instala un quemador de gas, mientras que el otro lado se

refrigera mediante un disipador de aluminio aletado o un sistema de tubos refrigerantes.

El grupo generador se mantiene una temperatura de aproximadamente 540 °C en el lado

caliente y 140 °C en el lado frío. El flujo de calor a través de la termopila genera

electricidad (corriente continua) en forma estable sin usar partes móviles. Un módulo

termoeléctrico o termopila consiste generalmente en varios elementos semiconductores (a

veces cientos de ellos) con dopaje P y N conectados eléctricamente en serie y

térmicamente en paralelo.


12

Las propiedades de conversión del par de materiales termoeléctricos que constituyen un

módulo no son exclusivamente intrínsecas, también dependen de la geometría del

sistema (longitud y sección de las ramas del módulo) que influye a su vez en la resistencia

eléctrica R y la conductividad térmica K de las ramas. En efecto, resulta necesario que K

sea lo bastante reducida para que un gradiente térmico pueda mantenerse, pero también

debe ser del valor suficiente como para que el calor pueda recorrer el módulo: si K es

nulo, no hay propagación de temperatura sobre el módulo y entonces no hay conversión

[10].

Del mismo modo, R debe elegirse de manera que se alcance el mejor compromiso posible

entre la potencia eléctrica y la diferencia de potencial eléctrica. Una vez elegidos los

materiales que forman el módulo (gracias al factor de mérito ZT), es necesario optimizar la

geometría del sistema para poder conseguir el rendimiento de la conversión, la potencia

eléctrica o la mayor extracción de calor posible en función de la aplicación del módulo.

Figura 1.8: Elementos de un generador termoeléctrico.

Los generadores complementan diversos sistemas eléctricos auxiliares, como el ajuste de

aire acondicionado en sistemas de refrigeración y generación de tensión eléctrica. Debido


13

a la alta fiabilidad de los suministros de energía termoeléctrica que se han utilizado

durante años para proporcionar potencial eléctrico en misiones espaciales donde la

energía solar está disponible y el espacio proporciona un alto diferencial de temperatura

porque su temperatura es de -180 °C. Dos ejemplos de las muchas misiones espaciales

que han confiado en fuentes termoeléctricas son el "Voyager", que fue enviado al espacio

profundo y ha operado con éxito durante más de los 20 años y las misiones "Apolo"

lunares.

1.3.- Aplicación del generador termoeléctrico como fuente de respaldo

en sistemas aislados de energía.

La confiabilidad de las extensiones de redes eléctricas en áreas remotas suele ser muy

baja, no siendo suficiente para sistemas críticos. Los generadores termoeléctricos tienen

en general una confiabilidad mucho mayor. Los costos de capital y cargos por servicio

asociados al tendido de líneas eléctricas hasta áreas remotas suelen ser prohibitivos, a

menos que la distancia a cubrir sea muy corta. La instalación de un generador

termoeléctrico para satisfacer la demanda de energía localizada es, en general, una

solución más económica.

Las aplicaciones principales son la alimentación de instalaciones de protección catódica y

SCADA en ductos y pozos. Se usan también en repetidoras de telecomunicaciones. La

gran mayoría de las cargas de protección catódica y SCADA remotas en los gasoductos

está alimentada por TEG, así como gran parte de las instalaciones similares de las demás

transportadoras y distribuidoras de gas de la Argentina. Los generadores termoeléctricos

son una alternativa sencilla, altamente confiable y económicamente conveniente para

solucionar el problema de la alimentación eléctrica de cargas de hasta 2 000 W en áreas

remotas [9].

Diseñados priorizando la confiabilidad, bajo costo a lo largo del ciclo de vida, facilidad de

mantenimiento y desempeño a largo plazo, teniendo en cuenta climas extremos y

restricciones de acceso para mantenimiento y reabastecimiento [11].Hay una gran

variedad de tecnologías y diseño caso por caso para obtener la solución de energía

remota más económica y confiable para cada aplicación, lugar y clima. Ideal para

aplicaciones de telecomunicaciones remotas.


14

En los Estados Unidos por ejemplo las Industrias Marlow es líder global en soluciones de

termoeléctrica, se ha empleado en el telescopio Hubble, las estaciones MIR Space, el

Observatorio Chandra de rayos X, y en el Transbordador Espacial de la Agencia Espacial

Europea.Hay otras numerosas aplicaciones internacionales, ya que los módulos

termoeléctricos con lo que cuenta permite mantener condiciones de alto vacío, ofrece alta

resistencia a la vibración y ensamblados con alta fiabilidad cuando se utilizan en entornos

difíciles, a distancia y en el espacio. Actualmente todas las sondas espaciales llevan

consigo un generador térmico a base de una fuente nuclear radioactiva que calienta una

cara del generador termoeléctrico, la otra cara del disipador es enfriado por el frío de 5 K

a 10 K del espacio interestelar teniendo así una fuente de energía de larga vida (figura

1.9).

Figura 1.9: Generador termoeléctrico en sondas espaciales [11].


.

CAPÍTULO 2

CONCENTRADORES

SOLARES


16

2.1.- Concentradores no colectores.

Dos tipos de concentradores pertenecen a esta categoría:

- Concentradores Planos (FPC)

- Concentradores Parabólicos Compuestos (CPC)

Existen dos tipos de concentradores solares: los que no concentran una imagen

(estacionarios) y los que concentran una imagen. Un concentrador que no concentra

imagen tiene usualmente un área de absorción (también llamada área de la imagen o

área de zona focal) cercana al área de intercepción, mientras que un concentrador

captador de imagen usualmente tiene una superficie reflectante cóncava y focaliza la

radiación incidente en un área pequeña incrementando el flujo radiactivo. La razón entre

el área de intercepción (Aac) y el área de absorción (AF) es conocida como razón de

concentración (CR) de un concentrador, es una propiedad relevante e intrínseca de cada

uno de ellos. Puede ser definida como [12]:

CR = Aac / AF(2.1)

Dónde:

CR = razón de concentración, adimensional.

Aac = área de intercepción en m2.

AF = área de absorción en m2.

En la tabla 2.1 se mencionan los intervalos de concentración solar de los diferentes tipos

de concentradores solares que existen y el tipo de superficie de absorción que tienen en

este caso se manejan tres opciones que son focal, tubular y plano. También se

proporciona información acerca de la razón de concentración, que es un valor

adimensional.


17

Tabla 2.1. Concentradores de energía solar [13].

Seguimiento

Tipo de Concentrador

Tipo de Absorbente

CR(*)

Intervalo de

Temperatura(ºC)

Estacionario

Plano(FCP) Plano 1 30-80

Tubo evacuado(ETC) Plano 1 50-200

Parabólico compuesto (CPC) Tubular 1-5 60-240

En un eje

Reflectores Fresnel (LFR) Tubular 10-40 60-250

Cilindro parabólico(PTC) Tubular 15-45 60-300

Cilíndrico (CTC) Tubular 10-50 60-300

En dos ejes

Disco Parabólico (PDR) Focal 100-1 000 100-500

Helióstato (HFC) Focal 100-1 500 150-2 000

(*) CR= Razón de Concentración

2.1.1.- Concentradores planos.

Un concentrador plano típico se muestra en la figura 2.1. Cuando la radiación solar pasa a

través del vidrio cobertor e incide sobre la superficie absorbente, una gran cantidad de

esta energía es transferida directamente al líquido dentro de los tubos (comúnmente

agua), y este es luego almacenado u ocupado. Las zonas posteriores y laterales del

concentrador deben estar muy bien aisladas del medio externo para reducir las pérdidas

por conducción. Los tubos están unidos entre ellos en ambos extremos por tubos de

mayor diámetro.

El vidrio cobertor es muy importante ya que aísla a la superficie de absorción del medio

ambiente, reduciendo las pérdidas por convección. Este vidrio también es transparente a

longitudes de onda corta provenientes desde el sol, pero es opaco a las longitudes de

onda larga emitidas por la superficie de absorción; con lo cual disminuye al mínimo las

pérdidas por radiación.


18

Este tipo de concentradores está usualmente fijo y no necesita seguir al sol. Para obtener

una mayor eficiencia, los colectores deben estar mirando en dirección norte e inclinados

en un ángulo igual a la latitud del lugar, este tipo de concentradores son utilizados

principalmente para sujetar celdas fotovoltaicas debido a que la estructura de las celdas

son planas lo que beneficia a ese tipo de dispositivos eléctricos, al igual se usan para

sostener superficies reflejantes que proyectan los rayos del sol en un punto determinado

(puede variarse el ángulo según la estación del año) [13].

Figura 2.1: Concentrador plano [13].

2.1.2.- Concentradores parabólicos compuestos.

Estos concentradores tienen la capacidad de reflejar al foco lineal toda la radiación

incidente que captan. Usando múltiples reflexiones internas, cualquier radiación solar que

entre al concentrador dentro de su ángulo de aceptancia (θc), llega a la superficie

absorbente que está en el fondo del concentrador (figura 2.2).


19

Figura 2.2: Concentrador CPC [13].

2.2.- Concentradores colectores.

Los concentradores captadores presentan ciertas ventajas con respecto a los

concentradores planos convencionales (FPC) [12]. Las principales son:

El fluido de trabajo llega a temperaturas mayores en un concentrador captador,

tomando la misma superficie del concentrador en ambos. Esto significa que se

puede lograr una mayor eficiencia termodinámica.

Dado que la superficie absorbente es pequeña (con respecto al área total del

concentrador), ocupar superficies de absorción selectivas y ocupar zonas de

vacío para disminuir pérdidas (y por lo tanto la eficiencia del concentrador) son

alternativas económicamente viables.

También ofrecen desventajas comparativas [14] las principales son:

Los concentradores captadores sólo utilizan la radiación directa y no la difusa.

Es necesario implementar un sistema de seguimiento solar con los

concentradores.

El reflectante del concentrador puede perder sus propiedades con el tiempo y

requiere mantenimiento periódicamente.


20

Los concentradores que entran en esta categoría son:

Concentradores cilindro parabólicos (PTC).

Disco parabólico (PDR).

Helióstato.

Estos concentradores son ideales en la construcción de un sistema de generación

eléctrica, ya que su capacidad de concentración se adapta de forma fácil y sencilla de

cualquier sistema de generación.

2.2.1.- Concentradores cilindro parabólicos.

Una característica importante de estos concentradores es que pueden lograr

temperaturas hasta los 400 °C con una buena eficiencia termodinámica cercana al 5%.

Tienen aplicaciones tanto en generación de energía eléctrica como en calentamiento de

agua, pudiendo para esta última aplicación ser construidos con materiales ligeros y

económicos, lo cual disminuye el costo de inversión inicial y facilita el seguimiento solar.

Estos concentradores se construyen doblando una lámina de material reflectante con

forma parabólica. Un tubo metálico de color negro, recubierto con un tubo de vidrio para

disminuir las pérdidas de calor, se debe colocar a lo largo de la línea focal como receptor

(figura 2.3).

Figura 2.3: Concentrador PTC [13].


21

Cuando la parábola es orientada hacia el sol, los rayos paralelos incidentes en el

concentrador son reflejados hacia el foco lineal. Es suficiente hacer seguimiento solar en

un solo eje de rotación. Este tipo de concentradores no se ocupa, la mayoría de las

veces, en forma individual, sino que en forma grupal y estando los tubos receptores

conectados entre ellos.

Este tipo de tecnología es la más avanzada dentro de las tecnologías solares, debido a la

gran experimentación que se ha realizado con ellos y a la formación de un pequeño grupo

de industrias que construyen y venden estos concentradores.

2.2.2.- Disco Parabólico

Esquemáticamente, un concentrador parabólico se puede representar como en la figura

2.4. Cuando este colector enfrenta al sol, la radiación incidente se concentra en su foco.

Por lo anterior, debe seguir al sol en sus dos grados de libertad (altitud y azimut) [13].

Figura 2.4.- Disco parabólico [13].


22

El receptor colocado en el foco, absorbe la radiación solar y la traspasa en forma de calor

a un fluido circulante. La energía calorífica presente en el fluido puede ser convertida a

electricidad mediante el uso de un motor generador dispuesto en el foco o puede ser

transportada a través de una red de tuberías a un receptor central y servir para diversos

propósitos. La temperatura en el receptor puede sobrepasar los 1 500 ºC. Los

concentradores parabólicos tienen ventajas importantes con respecto a otros colectores

[12]:

Debido a que siempre están apuntando al sol, son el sistema de concentración

solar más eficiente.

Tienen concentraciones entre 600 ºC a 2 000 ºC.

El concentrador como módulo se puede ocupar de manera independiente o ser

parte de un campo de concentradores.

2.2.3.- Helióstato

Para obtener altos niveles de radiación de energía solar, es necesario disponer de varios

espejos planos dispuestos en un campo con seguimiento solar de altitud-azimut y

reflectando la radiación incidente en cada uno de ellos a un foco receptor común, como se

observa en la figura 2.5.

Figura 2.5: Helióstato [14].


23

Generalmente, en el receptor se genera vapor de agua a presión y temperatura alta. Esta

agua se lleva mediante un sistema de distribución a un receptor central donde se puede

almacenar y ocupar para generar energía eléctrica. Se pueden obtener concentraciones

entre 300 K y 1 500 K, teniendo el foco un flujo radiación solar entre 200 kW/m2 y 1 000

kW/m2, obteniéndose temperaturas por sobre los 1 774 K.

2.3.- Seguimiento solar

Con el fin de maximizar la energía solar que llega al receptor, un sistema de seguimiento

solar debe ser desarrollado. En un concentrador parabólico es muy importante, ya que los

rayos que inciden de manera paralela a la línea focal inciden en el foco y por lo tanto es

necesario estar apuntando al sol en todo momento. Un sistema de seguimiento eficiente

que pueda seguir al sol con un cierto nivel de certeza (la certeza depende de la aplicación

que se requiera), además de regresar al colector a su posición en el ocaso a una posición

de espera del sol en el amanecer y también que pueda seguir al sol aun cuando haya

existencia de nubes en forma intermitente.

Adicionalmente, el sistema de seguimiento también puede ser usado para proteger al

concentrador ante la presencia de condiciones adversas de trabajo, como ráfagas de

viento intensas, sobrecalentamiento del motor Stirling o falla en el flujo del fluido de

enfriamiento. Varias formas de seguimiento solar han sido desarrolladas, pasando de las

monturas Ecuatoriales hasta el seguimiento altazimutal. Actualmente, debido al desarrollo

de la electrónica, el seguimiento altazimutal es el más utilizado.

En este tipo de seguimiento, se utilizan dos motores (un motor por eje de giro) los cuales

son controlados electrónicamente a través de sensores (por ejemplo fotodiodos) que

detectan la radiación solar incidente. Cuando la radiación sobre un sensor disminuye,

entonces se da la orden de giro en el eje correspondiente [8]. El diseño de la montura

solar que soporta a los motores, al sistema electrónico, al motor Stirling y al concentrador

es importante.


24

En la figura 2.6 se pueden ver las monturas más ocupadas para seguimientos en los dos

grados de libertad, en este caso azimut solar y altitud solar [13, 14].

Figura 2.6: Tipos de monturas para seguimiento en 2 ejes [15].

Las velocidades medias de desplazamiento del sol promedian los 15 º / hora, dada esta

velocidad baja de desplazamiento, los sistemas de seguimiento no requieren de motores

con alta potencia, sino con alto torque; que son capaces de sacar al sistema de la inercia

y hacer giros del sistema en torno a los 5 º. Una manera de limitar este torque, que puede

llegar a ser muy alto, es balancear el sistema con el uso de un contrapeso [10]. Un

sistema razonablemente balanceado debería ocupar motores con potencias del orden de

decenas de Watts. Es deseable que el sistema de seguimiento tenga dos velocidades:

una velocidad lenta para seguir el sol y una velocidad rápida para hacer mantenciones y

para volver en la noche a su posición de amanecer.


CAPÍTULO 3

DESARROLLO DEL

GENERADOR



26

3.1.- Selección del concentrador solar.

El concentrador solar cuya función es la de captar los rayos solares en un determinado

punto, como ejemplo de estos son: el concentrador disco parabólico que se compone de

una lámina parabólica, y en la parte central de la lámina se encuentra un tubo de color

negro forrado de vidrio, de tal manera que los rayos incidentes chocan al tubo, que se

coloca a lo largo de la línea focal donde se concentran los rayos solares.

El concentrador parabólico tiene el foco o receptor ubicado en medio de la parábola del

concentrador solar, este mismo se ubica perpendicularmente a la radiación del sol, la

radiación se concentra en ese punto y hay un calentamiento. En el foco se encuentra un

receptor que absorbe la radiación solar, que esta energía es transferida en forma de calor

a un fluido circulante que la energía calorífica presente en el fluido puede ser convertida a

electricidad.

El concentrador de torre central compuesto de espejos usado para concentrar altos

niveles de radiación de energía solar, requiere de varios espejos, dispuestos en un

campo de terreno, y el receptor se encuentra en la parte superior de la torre, donde

contiene agua, al recibir los rayos solares este genera vapor el cual activa una turbina

interna en la torre que alimenta al generador eléctrico que genera una tensión eléctrica.

En este caso al ver la forma de construcción de cada uno de estos concentradores, los

materiales que se van a requerir, así como también el tipo de carga que va a alimentar, y

el tamaño, se concluye que el adecuado para la construcción de este generador fue el

disco parabólico. Además también la parábola es una curva formada por los puntos que

están a la misma distancia de un punto concreto, denominado foco, y de una recta

concreta llamada directriz.

La parábola volumétrica tiene dos ejes de simetría, que es la recta que pasa por su foco y

por el punto más bajo (o más alto, según la posición de la directriz respecto del foco) de la

misma, que es el vértice de la parábola. Cuando los rayos solares llegan directamente a la

antena, estos son paralelos al eje de simetría de la parábola, donde son reflejados por la

misma hacia su foco.


27

Por cada segmento de la antena parabólica, se obtiene el rayo incidente que llega a la

parábola e incide directamente en su punto de concentración (figura 3.1).

Figura 3.1: Representación gráfica de una antena parabólica [13].

Las dimensiones de la antena son las siguientes: de ancho tiene una longitud de 0.67 m y

de largo 0.62 m, así como el brazo de la antena las dimensiones que tiene son: de largo

0.38 m, el ancho de 0.05 m con un grosor de 0.022 m. La superficie de la antena es

metálica, con un recubrimiento de pintura que evita que se oxide la superficie de la

misma. Esta misma antena cuenta con una base que se sujeta a la pared o a la superficie

del suelo por medio de tornillos (figura 3.2).

Figura 3.2: Antena parabólica.


28

3.2.- Selección del disipador térmico.

Debido a que los generadores termoeléctricos trabajan con un diferencial térmico, es

necesario un disipador de temperatura para incrementar este diferencial. La mayoría de

los disipadores térmicos cuentan con las mismas características de fabricación y cuya

función es el enfriamiento del CPU de una computadora por medio del ventilador. Los

siguientes disipadores como el Contac 16 y el Silent 1156 fueron opciones que se tenían

para ensamblar al módulo Seebeck, los cuales cumplen con las características

estructurales y de disipación térmica con el propósito de aumentar la diferencia de

temperatura entre la parte caliente y la parte fría del módulo Seebeck.

Los dos disipadores tienen dimensiones semejantes, además las características de su

estructura se ajustan al tamaño del concentrador y del módulo termoeléctrico, los dos

aspectos principales de la elección fue el peso y el área de disipación, usando el área del

módulo Seebeck como referencia. El disipador térmico Contact 21 fue el disipador que se

eligió para hacer el trabajo, ya que su tamaño y área de disipación se ajustan al módulo

Seebeck TEG1-12610-5.1, al realizar la primer prueba sobre el concentrador solar, dieron

como resultado que la generación de energía eléctrica fuese más rápida. Se logró que el

polo frío del módulo estuviese dentro de un rango de temperatura aceptable de 30 ºC a 50

ºC y que la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el frío aumentara, se colocó

un disipador Contac 21 en el polo frío del módulo Seebeck, como se puede ver en la

figura siguiente (figura 3.3).

Figura 3.3 Disipador de temperatura Contac 21 [13].


29

Este disipador térmico está formado principalmente de aluminio, con tubos de cobre que

se encuentran dentro de este mismo para facilitar la conducción de la temperatura. En la

parte inferior del disipador se encuentra la base en la cual va estar sujeto el módulo

Seebeck del lado del polo frío, este disipador térmico en una de las caras laterales se

encuentra un ventilador de 12 V, el cual este permite que la disipación del calor sea más

rápido y no permita que este llegue a calentarse, el cual va a estar alimentado por medio

del módulo Seebeck y entonces va a ser una retroalimentación de energía, este disipador

térmico cuenta con 4 pipas de calor de 6 mm de diámetro cada una.

Algunas de las características del disipador son las siguientes:

Formado de aletas de aluminio de disipación térmica.

Tensión nominal del ventilador: 12 V.

Tensión de inicio: 6 V.

Corriente Nominal: 0.24 A.

Potencia de entrada: 2.88 W.

Velocidad del ventilador: 1 000 rpm – 2 400 rpm.

Ruido: 19.3 dB a 30 dB.

Dimensiones del ventilador: 92 mm x 25 mm.

Peso del disipador: 425 g.

Dimensiones del disipador de aluminio: 100 mm. x 88.4 mm. x 139.5 mm.

Este disipador térmico resultó más conveniente debido a que se ajustaba a las

dimensiones del módulo Seebeck, además de que su volumen de disipación es superior

comparado con los otros disipadores mostrados anteriormente, es fácil de colocarlo en el

brazo del concentrador solar ya que su peso es de 372 g. Además el disipador debido a

su construcción de aluminio no absorbe la temperatura, aumentando la diferencia de

temperatura entre las dos caras del módulo cerca de 20 ºC, para aumentar la generación

de potencial eléctrico del módulo Seebeck.

3.3.- Selección de materiales a emplear en el concentrador solar.

Los materiales que se ocuparon en la elaboración del generador termoeléctrico son los

siguientes, del cual el más importante es el Módulo Seebeck TEG1-12610-5.1 que se


30

ocupo tiene las siguientes medidas que se muestran en la figura 3.4 con sus respectivas

terminales y sus características que se mencionan a continuación:

Características del módulo Seebeck TEG1-12610-5.1:

Temperatura lado caliente: 300 °C.

Temperatura del lado frío: 30 °C.

Tensión en circuito abierto: 7.8 V.

Resistencia a la carga adaptada: 3.0 Ω.

Tensión de salida de carga adaptada: 3.9 V.

Corriente de salida de carga adaptada: 1.3 A.

Potencia de salida de carga adaptada: 5.1 W.

Flujo de calor a través del módulo: 113 W.

Densidad de calor a través del módulo: 7.8 W cm-2

Resistencia de C.A medido en 27 °C a 1 000 Hz: 0.5 – 0.7 Hz

Figura 3.4: Módulo Seebeck de 4.5 cm x 4.5 cm (Termogenerador).

Debido a que se tiene un sistema de concentración solar, es necesario disponer de un

soporte que tenga dos grados de libertad, uno en altitud y otro en azimut para poder

concentrar la energía solar a lo largo del día. La base seleccionada, en su eje principal

tiene un diámetro de 0.055 m, formado por la parte superior de una base cuadrada de

ángulo de fierro, en cada uno de los cuatro puntos de apoyo, del eje principal, al punto de


31

apoyo tiene una distancia de 0.40 m, que le da una estabilidad al concentrador solar

parabólico, además de girar 360º sobre su propio eje, se muestra en la figura 3.5.

Figura 3.5: Soporte con giro de 360º.

Otros materiales que se ocuparon en la construcción del termogenerador:

116 espejos de 5 cm x 5 cm de 6 mm de grosor, para soportar impactos de

granizo, no se hizo un estudio espectral para determinar su eficiencia.

Un tubo de 1 ½ plg de diámetro de 11 cm de acero inoxidable.

Pegamento de silicón para vidrio de 21 g.

Soldadura eléctrica gruesa.

3.4.- Cálculo de la capacidad de generación eléctrica.

El coeficiente de incidencia solar en condiciones de un día ideal es igual a 1 000 W/m2.

Área del espejo: 25 cm2

Número de espejos: 116

Por lo tanto:

(25 cm2)(116)= 2 900 cm2


32

Si en 10 000 cm2 se pueden obtener 1 000 W, el concentrador es capaz de generar

idealmente:

2 900 cm2 = 29% de 10 000 cm2

Por lo tanto:

(0.29)(1 000 W)= 290 W

La capacidad máxima de generación del concentrador es de 290 W, pero tomando en

cuenta las eficiencias de cada uno de los elementos de este valor se reduce

considerablemente.

T = Eficiencia total = 0.1764 = 17.64%

e= Eficiencia del espejo = 0.8 = 80%

t = Eficiencia de transferencia de calor = 0.6 = 60%

d=Eficiencia del receptor = 0.7 = 70%

c = Eficiencia del concentrador = 0.7 = 70%

m = Eficiencia del módulo Seebeck = .075 = 7.5%

Ecuación de la eficiencia del Generador Termoeléctrico Solar total es la siguiente:

T =e. c. m. t (3.1)

Por lo que T es:

T= (0.8)(0.7)(0.075)(0.8)= 0.1764

Tomando en cuenta los cálculos anteriores se calculó la potencia nominal del generador

termoeléctrico de estado sólido, de la forma siguiente:

PF = (290 W)(0.1764) = 5.1156 W


33

El Factor de concentración se calculó de la siguiente manera:

FC= A1 / A2 > 0 (3.2)

FC = Factor de concentración.

A1 = Área del concentrador solar.

A2 = Área del receptor.

Por lo tanto:

FC= (2,900 cm2)/(133 cm2) = 15.2

Por lo que el factor de concentración del termogenerador es de:

FC = 15.2

3.5.- Ensamble del concentrador solar y del disipador térmico.

La antena parabólica por sí sola no concentra incidencia solar, ya que fue diseñada para

captar las señales por vía satélite, su función es concentrar rayos solares. Al forrar la

antena parabólica con papel metálico tipo “Mylar” por toda la superficie la cual se adhirió

con agua y jabón, dejándola secar un día, el resultado que se obtuvo no fue bueno, ya

que al estar la antena bajo intemperie, a temperatura ambiente el papel metálico se iba

desprendiendo. Por consiguiente se colocaron espejos como en la mayoría de los

concentradores solares para obtener una mayor concentración de calor, y así tener

temperaturas altas.

Al hacer las mediciones correspondientes del ancho y alto de la antena parabólica, se

optó por hacer espejos de una medida de 5 cm x 5 cm de un grosor de 6 mm que en total

se ocuparon 132 espejos, se seleccionaron en esa medida porque es similar al área del

módulo Seebeck que es de 4.5 cm x 4.5 cm de esta forma la concentración en el foco

caliente es uniforme y se asegura que funcione eficazmente. Se utilizó pegamento de

silicón para adherir los espejos sobre la superficie de la parábola hasta que la antena

estuviera completamente forrada de espejos ubicando cada espejo de tal manera que el


34

rayo que incida en cada uno de ellos y refleje directamente en el foco, las dimensiones

de la antena parabólica cambiaron del ancho de la antena que midió 0.601 m, y de largo

fue de 0.645 m (figura 3.6).

Figura 3.6: Concentrador solar parabólico (ensamblado con espejos de 6 mm de grosor).

El resultado que se esperaba fue correcto, ya que al exponer la antena perpendicular al

Sol, se apreció como la gran mayoría de los rayos solares incidían en el foco de la antena

parabólica. Esto se logró al colocar dos cordones ubicando el centro, para orientar los

espejos en dirección del foco donde se ubica el receptor de calor, la antena quedó

forrada de espejos, se requirieron los grados de libertad en altitud solar y azimut solar, de

esta forma la antena capta la mayor cantidad de energía calorífica posible del sol.

Por medio de una base giratoria cuyo eje es cilíndrico se obtuvieron los grados de libertad

en azimut , así que por medio de un tubo central que sería el eje de giro unido en la parte

baja por cuatro tubos pequeños, esta pieza quedaría formada en forma de tripie. Este

tubo central tiene un diámetro de 0.055 m, con un mecanismo formado por un cilindro de

acero sólido, el cual a medida que gire este último en su propio eje tiene como resultado

un movimiento radial a + 360° de azimut solar, todo ello unido mediante soldadura

eléctrica cada uno de los elementos.

La antena por sí sola no quedaría sujeta a la base de soporte, era necesario hacer un

acoplamiento, como la base de la antena tiene un tubo, se buscó que este por medio de

otro estuviera acoplado, y entonces colocar la base. El tubo de acoplamiento fue de 11

cm de 11/2 plg de diámetro, sujetando la antena y a la base del soporte. La soldadura

eléctrica tenía que quedar en forma de cordón para que tuviera una uniformidad completa


35

entre el tubo y la base giratoria para que no se llegara a desprender y accidentalmente se

rompiera la antena. Entonces al hacer esta operación el concentrador solar tiene tanto

azimut que es la dirección radial a 360° grados y altitud que tiene el movimiento de +180°.

La antena parabólica ya contaba con 90° de libertad en altitud, fue necesario aumentarlos

en 90°, para facilitar su orientación y ubicar el concentrador perpendicular al Sol, este

concentrador es capaz de seguir al Sol en cualquier punto que sea necesario, en la figura

siguiente se muestra el prototipo del concentrador solar ensamblado al soporte y se

especifican cada uno de los elementos que lo conforman (figura 3.7).

Figura 3.7: Soporte del concentrador con giro de azimut de 360° y 180º de altitud solar.

El siguiente elemento para obtener el generador termoeléctrico fue el módulo Seebeck,

este quedaría en el foco de la antena parabólica, el cual en ese punto se obtiene una

mayor concentración de calor solar, que aprovecha el módulo comercial para la

generación de la energía eléctrica. Las medidas del módulo Seebeck son de 4.5 cm x 4.5

cm, el cual está formado por dos caras una caliente donde van a incidir los rayos solares

del concentrador solar y la otra cara es la del lado frío, que al tener una diferencia de

temperaturas T que el módulo Seebeck transforma en energía eléctrica.

Mediante el brazo de lámina de fierro con que cuenta el concentrador solar, se coloca un

receptor de aluminio aletado en el extremo contrario a la parábola donde se coloca el

disipador térmico Contac 21 junto con el módulo Seebeck en el lado frío, al estar estos


36

dos unidos como un dispositivo, se le agrego un receptor de aluminio aletado en la cara

caliente del módulo termoeléctrico se muestra como quedo en la figura 3.8.

Figura 3.8: Ensamble de los elementos (termogenerador).

El receptor aletado de aluminio, que funciona también como disipador de calor fue unido

por medio de cuatro remaches con la base que se diseñó para el módulo Seebeck, a esta

base se le hicieron una serie de modificaciones para que no haya fugas térmicas entre el

receptor y el módulo Seebeck, en la cual quedo unido al disipador térmico por medio de 4

tornillos.

Este disipador de aluminio se pinto de negro para absorber el calor solar y no reflectarlo.

Se usó una pintura en laca de color negro mate para altas temperaturas (figura 3.9).

Figura 3.9: Receptor térmico.

Este módulo contiene una pasta térmica para tener una conducción de temperatura la

cual se colocó en medio del disipador térmico y el disipador de aluminio, se muestra en la

figura 3.10


37

Figura 3.10: Disipador térmico Contac 21, ensamblado al módulo termoeléctrico.

La carga eléctrica que va alimentar el generador termoeléctrico es un ventilador que está

integrado en el disipador térmico, esté va a enfriar las cargas de calor que absorba la cara

fría del módulo Seebeck. Se cambió el motor a uno que fuese adecuado a la generación

de potencial eléctrico del módulo Seebeck, debido a que el primero demandaba una

corriente eléctrica de 1 A, en cambio el segundo requiere de 0.21 A.

Al tener el concentrador solar con su base, con los dos movimientos principales altitud,

azimut, y que en el brazo del concentrador esté el módulo Seebeck junto con el disipador

térmico todo armado entonces el generador termoeléctrico funciona generando su propia

energía eléctrica por medio de la energía solar, después se armó el generador

termoeléctrico que fue el primer prototipo que se obtuvo en el proyecto el cual se muestra

en la figura 3.11.


38

Figura 3.11: Generador termoeléctrico con soporte mecánico (Primer prototipo).

El primer prototipo del termogenerador que se desarrolló durante este capítulo, cumplió

con el propósito de generar potencial eléctrico, su máximo de generación fue de 0.6 V, la

corriente obtenida fue de 0.13 A, la diferencia de temperatura fue de 45 ºC, fue suficiente

para accionar el motor de 12 V, aunque el rendimiento del motor no fue lo esperado, ya

que el rendimiento del motor fue muy bajo, en donde se calculó su rendimiento. Se tienen

la tensión nominal de la carga de 12 VCDy la tensión generada del módulo de 0.6 VCD,

por lo tanto calculando la eficiencia:

Por lo tanto después de calcular la eficiencia del motor la cual fue del 5% obtenemos que

la velocidad del motor es de 120 rpm, el diseño definitivo que se muestra en la figura 4.11

se obtuvo 667.2 rpm en la velocidad del ventilador que fue la carga, de esta forma

muestra las mejoras realizadas en la eficiencia termodinámica que se hizo en el capítulo

4. En la siguiente fotografía se muestra el generador termoeléctrico en su versión inicial

(figura 3.12).


39

Figura 3.12: Generador termoeléctrico solar inicial.


CAPÍTULO 4

PRUEBAS Y ANÁLISIS DEL

GENERADOR



41

4.1.- Instrumentación de Termogenerador Eléctrico Solar.

Medición de la tensión eléctrica por medio de un multímetro TRMS FLUKE 175 en función

de voltmetro con el cual se realizaron las mediciones de este proyecto, en la figura 4.1 se

observa cómo se realizó la medición.

Figura 4.1: Medición de tensión eléctrica.

Se midió la temperatura en el foco caliente por medio de un termómetro infrarrojo con

punto laser y con un margen de medida de -32 °C a 300 °C, de esta forma se obtuvo la

información necesaria para saber la capacidad de concentración solar del

termogenerador, en la figura 4.2 se observa cómo se realizó.


42

Figura 4.2: Medición de la temperatura en el foco caliente.

También se midió la temperatura del foco frío con el termómetro infrarrojo RaytekRayger

ST, todos esos resultados se compararon con los del foco caliente para obtener la

información concerniente a la diferencia de temperatura con la cual trabajaba el módulo

Seebeck, en la figura 4.3 se observa cómo se realizó la medición.

Figura 4.3: Medición de la temperatura en el foco frío.


43

Por último se realizaron mediciones de corriente eléctrica en módulo Seebeck para

calcular la potencia del termogenerador y comparar los resultados obtenidos con los del

data sheet que se encuentra en el anexo 1, en la figura 4.4 se observa cómo se realizó.

Figura 4.4: Medición de la corriente eléctrica.

4.2.- Mediciones y resultados del prototipo.

Los resultados de las pruebas y las mediciones se realizaron en la ciudad de México D.F,

en los meses de Octubre y las dos primeras semanas de Noviembre del año 2013, se

obtuvieron en días despejados en una temperatura entre los 19 °C y los 25 °C, la hora

promedio fue de las 11:00 am a las 3:00 pm ya que es donde hay mayor incidencia solar.

El factor de incidencia solar en el que se basan los resultados es de 1 000 W/m2. Los

instrumentos de medición que ocupamos son:

Termómetro infrarrojo con punto laser y con un margen de medida de – 32 °C –

300 °C y una precisión de 1.5 °C.

Multímetro digital TRMS FLUKE 175 con un límite de 1 000 V y 10 A, LCD de 6

000 dígitos con una precisión de (0.15 % + 2).


44

4.2.1.- Primer prototipo del generador termoeléctrico solar.

En el primer prototipo se colocaron 132 espejos de 50 mm x 50 mm de 6 mm de grosor lo

que nos proporcionaba un área de concentración solar de 0.33 m2, los cuales eran

concentrados en el foco receptor de 90 mm x 140 mm de tamaño, la distancia de la

parábola al receptor es de 0.38 m, también tiene un soporte que le da los dos grados de

libertad en azimut y altitud para seguir al Sol durante el día, se muestra en la figura 3.12 y

4.1.

Figura 4.5: Generador termoeléctrico con soporte.

El rendimiento del módulo Seebeck no cambió mucho en comparación con su hoja de

información técnica del módulo TEG Modulo TEG1-12610-5.1 anexo I respecto a la

temperatura que necesita para su funcionamiento, el máximo de temperatura del

termoeléctrico es de 300 °C, la temperatura máxima alcanzada por el concentrador solar

en su primer versión fue de 95 °C suficiente para operar un motor de 12 VCD de corriente

directa que es la carga.

En el lado frío del generador termoeléctrico fue de 50 °C, superior en 10 °C a la

temperatura ideal del módulo que se utilizó, en consecuencia se obtuvo un gradiente de

temperatura de 45 °C, suficiente para generar una tensión de 0.6 V en corriente directa, y

la corriente eléctrica de 0.13 A. Esto se muestra en la tabla 4.1 y figura 4.2.


45

Tabla 4.1: Tensión de circuito abierto con respecto a la Dif. De temperatura (Medición del 14/10/2013 de 12:00 h.

a 13:00 h).

Tensión (V) Dif. de Temperatura (ºC)

0.6 45

0.58 42

0.59 42

0.51 39

0.5 38

0.48 36

Los resultados obtenidos en las primeras mediciones la tensión con respecto al diferencial

de temperatura, indicaron que desde 36 °C de diferencia de temperatura el módulo

termoeléctrico empieza a generar los suficiente para alimentar la carga en un periodo de

15 minutos donde hay una estabilidad entre el foco frio y el foco caliente, la curva de la

figura 4.2 no es completamente uniforme lo que indica que hay pequeños desajustes del

concentrador y el disipador, lo que provoca que el período de generación sea de 30

minutos.

Figura 4.6: Gráfica de tensión – Dif. Temperatura del primer prototipo.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

40 50 60

Ten

sió

n (

Vcd

)

Diferencia de temperatura ( °C)


46

4.2.2.- Segundo modificación del generador termoeléctrico.

La concentración solar se mantuvo similar al anterior, aunque contaba con un área menor

de concentración de 0.24 m2 no afecto es más aumento la generación del módulo

Seebeck disminuyendo el calentamiento del disipador térmico, lo que aumentó

considerablemente fue el tiempo de funcionamiento del módulo Seebeck su

funcionamiento alcanzo la hora y media, la tensión generada aumento solo 0.1 V y la

corriente en centésimas, por lo que el rendimiento del motor fue insuficiente, se muestra

las modificaciones en la figura 4.3.

Figura 4.7: Segundo prototipo del generador termoeléctrico.

Al retirar los espejos, en este caso 3 columnas de cada lado del concentrador solar, se

redujo el número a 96 espejos, de esta manera se logró disminuir el sobrecalentamiento

en la cara fría del módulo, de esta forma la temperatura en el foco frío disminuyo 15 ºC

hasta los 35 ºC, ayudando al sistema a aumentar el diferencial de temperatura, aunque la

concentración solar en el foco caliente perdió 6 ºC.

El rendimiento del módulo Seebeck TEG Module TEG1-12610-5.1 no cambió mucho en

comparación con el anteriorrespecto a la temperatura que necesita para su

funcionamiento, ya que los espejos reflejaban la misma cantidad de calor unos 88 ºC

suficiente para activar el funcionamiento de la carga eléctrica. En consecuencia se

obtuvo un gradiente de temperatura de 53 °C, suficiente para generar una tensión de 0.7

VCD en corriente directa, y la corriente eléctrica de 0.15 A. Esto se muestra en los

resultados de la tabla 4.2, figura 4.4.


47

Tabla 4.2: Tensión de circuito abierto con respecto a la Dif. De temperatura (Medición del 22/10/2013 de 12:00 h

a 13:30 h).

Tensión (V) Dif. De Temperatura (ºC)

0.71 54

0.67 51

0.65 49

0.61 46

0.59 44

0.56 42

Figura 4.8: Gráfica de tensión circuito abierto – Dif. Temperatura.

4.2.3.- Tercera modificación del generador termoeléctrico.

En el desarrollo del proyecto se hace una tercera modificación en el que se tomaron en

cuenta los resultados anteriores, y se construyó una cabina para proteger el disipador

térmico de los rayos solares que absorbía, lo que calentaba levemente, y se volvía

considerable ya que los periodos bajo el Sol son largos, de esta forma se redujo 10 ºC en

el foco frío, bajando hasta los 25 ºC, lo que beneficia al sistema para obtener una

diferencia de temperatura.

Para aumentar la concentración solar se agregaron dos columnas que contienen diez

espejos cada una, aumentando el número de espejos hasta 116 espejos totales, lo que

mejoro la concentración, al medir en el receptor se aumentó hasta 118 ºC, de esta forma

se obtuvo un T= 118 ºC, teniendo un potencial eléctrico de 3.3 V y una corriente de

0.73 A, alcanzando el máximo de generación del termogenerador eléctrico solar (figura

4.5).

0

0.2

0.4

0.6

0.8

40 50 60

Ten

sió

n (

Vcd

)

Diferencia de temperatura ( °C)


48

Figura 4.9: Generador termoeléctrico final.

El rendimiento del módulo Seebeck TEG Module TEG1-12610-5.1 cambió bastante con

respecto a las modificaciones del diseño inicial, con respecto a los dos anteriores, en un

primer caso se le agregaron dos columnas de espejos (20 espejos de 5 cm x 5 cm)

ensamblados en dos placas de aluminio de 55 cm x 10 cm, de esta forma se aumentó la

concentración solar en 25 ºC en comparación con los anteriores, alcanzando un máximo

de calor concentrado de 143 ºC en el foco de calor se muestra la columna en la figura

4.6.

Figura 4.10: Base de aluminio para los espejos.


49

En el foco frío del generador termoeléctrico se adaptó una pequeña cabina para aislar al

disipador de los rayos solares, disminuyendo la temperatura a 25 ºC, inferior a las

temperaturas que se obtuvieron anteriormente, en consecuencia se obtuvo un gradiente

de temperatura de 118 °C que fue el más alto en el proyecto (figura 4.7).

Figura 4.11: Cabina del disipador térmico.

4.3.- Análisis de la tensión generada con respecto al gradiente de

temperatura.

El análisis de las mediciones de tensión más altas obtenidas durante las pruebas a

mediodía realizadas en el mes de octubre, en días despejados y condiciones óptimas

para hacerlas, comprueba la teoría del efecto Seebeck, que dice que a mayor diferencia

de temperatura mayor la tensión generada, esta va aumentando proporcionalmente, lo

que corrobora que el termogenerador eléctrico genera tensión por medio de la energía

solar, ya que los resultados muestran el crecimiento de la tensión en consecuencia del

aumento de la diferencia de temperatura obtenida, se muestran los resultados en la tabla

4.3 y figura 4.8.

Tabla 4.3: Tensión de circuito abierto con respecto a la Dif. De temperatura (Medición del 04/11/2013 de 11:00 h

a 13:30 h).

Tensión (V) Dif. De Temperatura (ºC)

3.33 118

2.17 97

1.54 93

1.4 85

1.14 78

1 63


50

Figura 4.12: Gráfica de Tensión circuito abierto – Dif. Temperatura.

4.4.- Análisis de la corriente con respecto a la tensión generada.

La corriente se comportó diferente a lo que marca la información técnica, ya que no

genera la corriente eléctrica como indica sus especificaciones, es inferior a lo ideal que se

estableció en la fábrica que lo ensamblo, aunque son suficientes para activar la carga que

en este caso es el motor de 12 VCD de corriente directa. A continuación se muestra los

resultados medidos y una gráfica de los mismos, se muestran en la tabla 4.4 y la figura

4.9.

Tabla 4.4: Tensión de circuito abierto con respecto a la corriente eléctrica.

Tensión (V) Corriente eléctrica (A)

3.33 0.73

2.17 0.47

1.5 0.33

1.4 0.3

1.17 0.25

1 0.22

0.8 0.17

0.7 0.15

0.6 0.13

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

60 120

Ten

sio

n (

Vcd

)

Diferencia de Temperatura (°C)


51

El comportamiento de la gráfica de la figura 4.9 nos muestra que el crecimiento de la

tensión es proporcional al aumento de la corriente, por lo que es un comportamiento

lineal, en las gráficas mostradas en ficha técnica del módulo, tienen el mismo

comportamiento, aunque los resultados son muy diferentes en comparación con los

resultados ideales, debido a que nunca se alcanzo los 300 °C de diferencial de

temperatura , ya que es muy complejo disipar el calor en el foco frío.

Figura 4.13: Gráfica de Tensión de circuito abierto con respecto a la corriente eléctrica generada.

4.5.- Análisis de la potencia eléctrica con respecto a la tensión

generada.

Los resultados mostrados en la tabla 4.4 son de todas las mediciones que se obtuvieron

en los tres prototipos en días completamente despejados a las 12:00 pm en el mes de

octubre, y otras mediciones adicionales donde se proporcionaba calor adicional al

concentrador solar para poder ver la capacidad de generación del módulo Seebeck, con

lo cual se puede apreciar que la potencia eléctrica crece a medida que el diferencial de

potencial crece, y este se ve reflejado tanto en la corriente como en la potencia, no es

completamente uniforme, pero es hasta cierto punto constante, como se puede apreciar

en la tabla 4.5 y figura 4.10.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Ten

sio

n (

Vcd

)

Corriente Electrica (A)


52

La gráfica muestra que cada 1 V de aumento la corriente va aumentando en 0.30 A

aproximadamente después de los 2.17 V generados lo que indica que al aumentar la

diferencia de temperatura el voltaje no va a aumentar rápidamente sino la corriente es la

que empieza a aumentar en mayor proporción, la potencia es la más beneficiada, ya que

la potencia de 1 V es completamente inferior que la 3.33 V. La gráfica de la figura 4.10

muestra la forma acelerada del crecimiento de la potencia, en función a la tensión.

Tabla 4.5: Resultados de tensión, corriente y potencia eléctrica.

Tensión (V) Corriente eléctrica

(A)

Potencia eléctrica

(W)

3.33 0.73 2.4309

2.17 0.47 1.0199

1.5 0.33 0.495

1.4 0.3 0.42

1.17 0.25 0.2925

1 0.22 0.22

0.8 0.17 0.136

0.7 0.15 0.105

0.6 0.13 0.078

La gráfica 4.10 es una forma de comprobar el funcionamiento del efecto Seebeck que

menciona a mayor diferencia de temperatura entre los dos focos, la tensión generada va

a ser directamente proporcional, por lo que se ve que es ascendente la curva donde

aumenta la potencia eléctrica generada en relación con la tensión obtenida del módulo,

demostrando que este fenómeno termoeléctrico es real.


53

Figura 4.14: Gráfica de Tensión generada con respecto a la potencia eléctrica de salida.

El generador termoeléctrico solar definitivo se muestra en la figura 4.11, es el resultado

de las modificaciones que se hicieron al diseño inicial, en base a los resultados obtenidos

en las modificaciones anteriores, los resultados del primer prototipo al diseño final, fueron

en un 500 % de aumento en la generación de tensión aproximadamente.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Ten

sio

n (

Vcd

)

Potencia electrica (W)


54

Figura 4.15: Generador termoeléctrico solar final.


55

Costo económico del proyecto

El costo económico del proyecto es relativamente bajo con un costo total de $ 2270.00 en

la tabla 4.6 se muestran los costos de los elementos y los materiales que se emplearon en

la construcción del proyecto, así como otros elementos complementarios que se ocuparon

en la construcción del termogenerador eléctrico solar son fáciles de encontrar a

disposición de cualquier persona, exceptuando el módulo Seebeck TEG1-12610-5.1 que

se compró por internet a la empresa canadiense TEG POWER GENERATOR y se recibió

por medio del correo tradicional.

Tabla 4.6 Costo de los materiales del generador termoeléctrico solar.

Material Costo $ Material Costo $

Antena

parabólica.

$750.00 Silicón. $ 80.00

Espejos (116). $ 200.00 Soldadura

eléctrica.

$ 60.00

Base de soporte

giratorio.

$ 200.00 Plasti-Loka. $ 90.00

Tubo de acero de

1 ½ plg.

$ 50.00 Disipador

Térmico Contact

21.

$ 450.00

Material de

Aluminio.

$ 100.00

Pintura en laca

Comex.

$ 50.00

Módulo Seebeck

TEG1-12610-5.1

$ 240.00 Total de los

materiales.

$ 2270.00


CONCLUSIONES


57

Para lograr una mejor eficiencia termodinámica en el módulo Seebeck, se necesita de una

fuente de calor , en este caso el concentrador el cual debe proporcionar el flujo de calor

que absorbe, y el disipador que enfría, ya que de esta relación de estos factores, se

asegura un buen gradiente de temperatura y por lo tanto una generación eléctrica

constante y periodos largos de generación aprovechando el Sol del día, en el primer

prototipo su periodo más largo de generación fue de 30 minutos, mientras que después

de ajustar la relación de la temperatura entre las dos caras , se aumentó el tiempo de

generación a 4 horas.

El análisis de los resultados medidos del generador termoeléctrico sirvió para definir que

el flujo de calor que proporciona el concentrador solar puede afectar directamente la

generación del módulo ya que la cara caliente propaga cargas térmicas al polo frío

afectando el tiempo de generación y la cantidad de potencial eléctrico generado, se vio

reflejado en los resultados obtenidos, ya que en el prototipo inicial solo se obtenía 0.6 V

de tensión generada y una corriente de 0.13 A, y con las modificaciones pertinentes en el

concentrador solar se incrementó hasta 3.34 V de tensión y una corriente de 0.73 A,

teniendo un aumento del 500 % en la generación.

La eficiencia del generador termoeléctrico en relación con el módulo Seebeck que es del

5 % se vio afectado en .75 % de eficiencia en la generación de tensión del

termogenerador solar construido, ya que de los 3.9 V nominales que genera el módulo

termoeléctrico se generó 3.34 V, lo que indica que el sistema solar en una buena fuente

de energía para los módulos Seebeck.

La optimización del sistema de termogeneración solar es muy importante ya que mientras

se alcance la eficiencia termodinámica ideal, o sea la relación entre las temperaturas de

las dos caras del módulo se puede aprovechar toda esa energía limpia, de manera que la

podemos usar en los dispositivos electrónicos como celulares, laptops, etc. De manera

que se obtiene energía eléctrica durante un tiempo considerable que en este caso es de

34 años, y se sustituye el uso de baterías eléctricas que contaminan por termopilas que

no afectan el medio ambiente.


BIBLIOGRAFÍA


59

BIBLIOGRAFÍA

[1] Rowe, D.M (1972). Thermoelectric Handbook (1ra Ed.). Cambridge: The Cambion

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http//www.corporex.com.ar, Febrero, 2, 2013. [11] Generadores TermoelectricosGeneracion de energía sin partes móviles,

http://biblioteca.iapg.org.ar/ArchivosAdjuntos/Petrotecnia/2007/Generadores.pdf. Abril, 6, 2013.

[12] Modulo generador termoeléctrico,

http://www.directindustry.es/prod/kryotherm/modulos-generadores-termoelectricos-50485-347619.html, Mayo, 7, 2013.

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http://www.directindustry.es/prod/kryotherm/modulos-generadores-termoelectricos-50485-347619.html

http://www.directindustry.es/prod/kryotherm/modulos-generadores-termoelectricos-50485-347619.html


60

[14] Sarmiento P. (1980). Energía Solar. (Tesis de Licenciatura). Aplicaciones e

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[19] Yunus, A CengelTermodinamicaMc Graw Hill Cuarta Edición, pág. 159. [20] Thermodynamics Principles and practice, Mc Graw Hill Quinta Edición, pág. 113.


ANEXO:

Ficha técnica del módulo

Seebeck

TEG1-12610-5.1


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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA · 3.11 Generador termoeléctrico con soporte mecánico (Primer prototipo). 38 3.12 Generador termoeléctrico solar inicial