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UNIVERSIDAD DE CIENCIAS Y ARTES DE CHIAPAS Instituto de Ciencias Básicas y Aplicadas Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Energías Renovables

TESIS “Diseño, construcción y evaluación de un generador termoeléctrico acoplado a una estufa ecológica” Que para obtener el grado de:

Ingeniero en Energías Renovables Presenta. Luis Alonso Medrano Parra Director de tesis: Dr. Jorge Evaristo Conde Díaz Tuxtla Gutiérrez, Chiapas

i

Octubre 2016

Resumen En este trabajo es una investigación sobre la el diseño la construcción y evaluación de un generador termoeléctrico por efecto Seebeck el cual puede ser una fuente de energía eléctrica la iluminación en viviendas que cuentes con una estufa ecológica.

ii

Índice Introducción

1

Capitulo1

2

1.1 dispositivos termoeléctricos

3

1.2 Historia de los dispositivos termoeléctricos

3

1.3 Efecto Seebeck

4

1.4 Efecto Peltier

6

1.5 Efecto Thompson

7

1.6 Figura de mérito

8

1.7 Materiales termoeléctricos

9

1.8 Módulos termoeléctricos

11

1.9 disipadores

14

1.10 Arduino Mega

15

Bibliografía

17

Capítulo 2

18

2.1 estudio y selección de componentes

18

2.1.1 selección de celdas termoeléctricas

19

2.1.2 Selección de disipadores térmicos

21

iii

2.1.3 Selección de estufa ecológica

23

2.2 Diseño del generador

24

2.2.1 Diseño en 3D

24

2.2.2 Diseño del sistema de enfriamiento

26

2.3 Construcción del sistema de enfriamiento

28

2.3.1 Modificaciones posteriores

28

2.4 Construcción de sistema de adquisición de datos

30

Bibliografía

34

Capítulo 3

35

3.1 Evaluación de la celda Peltier TEC1-12706

35

3.2 Evaluación del generador con celda TEC1-12710

37

3.3 Evaluación del generador con celda TEC1-12706

40

Bibliografía

45

Capítulo 4

46

Anexo A

47

iv

Introducción Las pérdidas de energía térmica en todos los proceso de transformación de energía son algo inevitable, si bien algunas pérdidas son mínimas como es el caso de transformar corriente directa a alterna o viceversa, hay otros procesos donde las pérdidas son muy significativas como en los motores de combustión interna por ejemplo, que pueden ser de hasta un 80%, además se estima que la mayoría de la potencia del mundo se genera por sistemas operando a una eficiencia de 40% o menos [1] [2], de ahí la necesidad de desarrollar nuevos métodos para aprovechar tan grandes pérdidas. En este trabajo, se utilizará las pérdidas de energía térmica que tienen las estufas ecológicas, las cuales han sido una solución para el ahorro de leña, la disminución de emisión de gases de efecto invernadero y para evitar la inhalación de humo. Pero aun siendo tan benéficas para las comunidades rurales, tienen pérdidas significativas de energía térmica por la chimenea, que pueden ser aprovechadas para generar electricidad a través de un generador termoeléctrico. Esta investigación tiene como fin el desarrollo y construcción de un sistema de generación termoeléctrico para el aprovechamiento de las pérdidas de energía térmica y pueda proveer de energía eléctrica suficiente para la iluminación de una vivienda rural, ya que actualmente la vida diaria en la mayor parte de las comunidades rurales termina a la puesta del sol al no tener forma de iluminar sus viviendas. Si tuvieran una fuente de iluminación podrían tener unas horas más para poder realizar otras actividades comerciales o sociales que beneficien a la comunidad. El objetivo de este trabajo es diseñar y construir y evaluar un sistema de generación de energía termoeléctrica que pueda aprovechar la energía térmica emitida por la chimenea de una estufa ecológica.

Capítulo 1 Termoeléctricidad La termoeléctricidad se puede definir como la ciencia y tecnología asociadas a la generación electricidad y refrigeración por el efecto termoeléctrico. Las tecnologías termoeléctricas empezaron durante la Segunda Guerra Mundial, cuando la Unión Soviética y con la contribución del físico Abram Loffe desarrolló un generador termoeléctrico que producía de 2 a 4 Watts, capaz de alimentar una pequeña radio a partir de una pequeña llama para cocinar. Motivados por los grandes avances en semiconductores, se descubrieron aleaciones de semiconductores más eficientes en las décadas de los años 50 y 60’s, donde se realizaron grandes esfuerzos para el desarrollo de la tecnología termoeléctrica, los países más dedicados a desarrollar esta tecnología fueron la Unión Soviética, Estados Unidos y en menor parte algunos países de Europa y Japón [3].

Figura 1.1 Efectos termoeléctricos a) efecto Seebeck, b) efecto Peltier, c) efecto Thompson [4].

1.1 Dispositivos termoeléctricos Los dispositivos termoeléctricos (celdas Seebeck y Peltier) son máquinas termodinámicas sin partes móviles que convierten calor en electricidad (efecto Seebeck), o usan electricidad para trabajar como bomba de calor transfiriendo el calor de un lugar a otro (efecto Peltier y Thompson). Hasta hace poco, las aplicaciones para los generadores termoeléctricos eran limitadas, es decir, se usaban en lugares remotos y de difícil acceso donde se necesitaba energía eléctrica, debido a su baja eficiencia. Sin embargo las preocupaciones ambientales actuales han provocado un nuevo interés en estos sistemas como transformadores de calor residual en energía eléctrica. Por ejemplo, se ha demostrado, que en automóviles se puede reducir el 5% del gasto de combustible, si los gases de emisión del vehículo se utilizan con un generador termoeléctrico, y alimentar los dispositivos eléctricos del vehículo [5].

1.2 Historia de los dispositivos termoeléctricos La teoría básica de los generadores y refrigeradores termoeléctricos se terminó de delinear a principios del siglo XX. Para aplicaciones prácticas se necesitaban materiales con un alto coeficiente Seebeck, alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. La tecnología de semiconductores permitió obtener materiales adecuados a partir de la década del 40. Ya en la segunda guerra mundial Rusia utilizó generadores termoeléctricos a base de antimonio-zinc para alimentar equipos de comunicaciones militares. En la década del 50, se desarrollaron los primeros termopares para sistemas de seguridad por falta de llama, que resultaron la aplicación masiva del efecto termoeléctrico y que se encuentran hoy en día en casi todos los calentadores de agua, termo-tanques, hornos y calefactores a gas domiciliarios. Con el correr de los años se fabricaron generadores termoeléctricos (conocidos como TEG por su sigla en inglés: Thermo Electric Generator) con diversos materiales semiconductores y con resultados variados.

En la década de los 60s, se desarrollaron generadores alimentados por radioisótopos para el programa espacial Apolo y para comunicaciones con la luna, de los que derivarían los materiales utilizados en la mayoría de los generadores comerciales actuales. Los generadores termoeléctricos son un producto para aplicaciones muy específicas, mientras que otros derivados de la misma tecnología, como los termopares de seguridad, se emplean masivamente. Dada su simplicidad, se usan también módulos termoeléctricos de efecto Peltier para aplicaciones de refrigeración y control de temperatura de baja capacidad [6]. La termoelectricidad es el campo de estudio que relaciona la termodinámica y la electricidad, en otras palabras es el estudio de los fenómenos en los que intervienen el calor y la electricidad simultáneamente. El efecto termoeléctrico permite la transformación directa de la energía térmica en electricidad y, viceversa, la energía eléctrica en energía térmica. Estos fenómenos son explicados por tres efectos: Seebeck, Peltier y Thompson, de estos tres efectos los dos primeros son los más relevantes [7]. De los

efectos termoeléctricos nacen los

generadores termoeléctricos, que

consisten en series de pequeñas células termoeléctricas de semiconductores tipo p y tipo n conectadas eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo. El semiconductor usado con mayor frecuencia en este tipo de generadores es una aleación de Bismuto teluro (que es dopado para obtener materiales tipo p y tipo n.

1.3 Efecto Seebeck El efecto Seebeck se manifiesta como la aparición de una diferencia de potencial eléctrico en un circuito formado por la unión de dos materiales distintos cuando sus uniones se encuentran a diferente temperatura. Este efecto fue descubierto en 1821 por Thomas J. Seebeck quien descubrió que si un circuito compuesto por dos materiales diferentes, y al aplicar calor a uno de los materiales mientras que el otro se mantenía a una temperatura más baja se

producía un campo magnético, el cual se debe al paso de corriente entre la unión de los dos materiales [8]. (Como se muestra en la Figura 1.2)

Figura 1.2 Efecto Seebeck

El coeficiente de Seebeck entre dos materiales distintos A y B ( ) consiste en el cociente entre la diferencia de potencial eléctrico (ΔV) entre la unión de A y de B, y la diferencia de temperatura ∆ = (

−

ecuación:

∆ = (

−

)

) como se muestra en la siguiente 1.1

donde ∆V es la diferencia de voltaje, α es el coeficiente Seebeck, Tc es la mayor temperatura y Tf es la menor temperatura.

La diferencia de potencial en el efecto Seebeck se debe a que la energía cinética de los portadores en el extremo caliente es mayor que la de los portadores en el extremo frío. Esto provocará una migración de partículas portadoras de carga hacia el extremo frío que no se verá compensada por la migración de portadores del extremo frío hacia el extremo caliente [9] .

1.4 Efecto Peltier Jean-Charles Peltier, en 1834, descubrió el efecto Peltier, el cual consiste en la aparición de un delta de temperatura entre dos material diferentes unidos al ser atravesados por una corriente eléctrica, en otras palabras, al aplicar una diferencia de voltaje entre los dos materiales el observo que mientras uno de ellos comenzaba a calentarse el otro se enfriaba [9] (Como se muestra en la Figura 1.3).

Figura 1.3 Efecto Peltier

Al igual que en el efecto Seebeck existe una constante para este fenómeno y se llama coeficiente Peltier. Matemáticamente expresamos el coeficiente Peltier como: = (Π − Π ) donde

es el flujo de calor

1.2

la corriente Π el coeficiente de Peltier del material

y Π el coeficiente de Peltier del material

La explicación al efecto Peltier se encuentra en el hecho de que la energía térmica asociada a un electrón es diferente para cada material. Al pasar un flujo de electrones (corriente eléctrica) desde un material A hacia un material B, estando

ambos a la misma temperatura, se produce una absorción de calor para adecuar la energía térmica de los electrones a la nueva situación en el material B. Resulta evidente pues que al invertir el signo de la corriente eléctrica que circula por el circuito invertimos el sentido del flujo de calor en la unión entre los dos materiales [10].

1.5 Efecto Thompson se define como la absorción o generación de calor (reversible) en un material homogéneo sometido a una diferencia de temperatura entre sus extremos a través del cual se hace circular una corriente eléctrica [10].

Efecto descubierto en 1851 por William Thomson con el cual se describe una relación directa entre estos dos efectos termodinámicos. El coeficiente Peltier de un metal es igual al coeficiente Seebeck multiplicado por la temperatura [¡Error! Marcador no definido.].

Y se define matemáticamente como: Π=

1.3

donde Π es el coeficiente Peltier, α coeficiente Seebeck y T la Temperatura En la siguiente figura (Figura 3) podemos observar un diagrama del efecto Thomson

Figura 1.4 Esquema de funcionamiento del efecto Thompson [10]

La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier con respecto al efecto Thomson es que éste último existe para un solo material y no necesita la existencia de una soldadura. El coeficiente Thomson es el único entre los tres coeficientes principales termoeléctricos directamente medible para materiales individuales. Los coeficientes Peltier y Seebeck solo pueden hallarse por pares de materiales [11].

1.6 Figura de mérito El potencial de los materiales para aplicaciones termoeléctricas está determinado en gran parte por su figura de mérito, ZT:

= En la ecuación α

=

1.4

representa el coeficiente de Seebeck,

es la conductividad

eléctrica, para la resistividad eléctrica tenemos como representación a ρ y κ es la conductividad térmica. El factor, es típicamente optimizado en los semiconductores a través del doping, lo cual les otorga la más alta ZT. La ZT de un solo material es algo irrelevante ya que el arreglo para un módulo de generación de electricidad o de refrigeración consta de parejas [9].

En ingeniería las figuras del mérito se definen para materiales o dispositivos, para determinar su utilidad relativa para un uso, y para caracterizar la eficiencia de los materiales termoeléctricos se determina la figura de mérito, representada por Z o ZT.

Esta figura de mérito tiene dependencia con la temperatura y su valor es directamente proporcional a la eficacia del material termoeléctrico. Un convertidor

termoeléctrico es una máquina térmica y, como todas las máquinas térmicas, obedece a las leyes de la termodinámica. Si se considera que el convertidor termoeléctrico funciona como un generador ideal, es decir, sin pérdidas de calor, la eficiencia se define como el cociente entre la energía eléctrica obtenida y el calor absorbido por el dispositivo termoeléctrico [8].

Para desarrollar una ecuación válida de la figura de mérito, se debe comenzar con el ciclo de Carnot, ya que su rendimiento será el máximo que se puede alcanzar según las leyes de la termodinámica, el ciclo de Carnot se compone de dos etapas isotermas y dos etapas adiabáticas. Por tanto, existen dos focos a diferentes temperaturas. En los procesos isotermos se producirá un intercambio de calor entre el sistema y el ambiente, de forma que en el foco frío se cede calor (Q2) al entorno, y en el foco caliente se absorbe el calor (Q).Como consecuencia, se produce un trabajo (W).

El ciclo de Carnot es importante porque toda máquina térmica que opere entre dos temperaturas T1 y T2 obtendrá un rendimiento que no podrá ser nunca superior al rendimiento de Carnot. Este rendimiento, por lo tanto, sólo va a depender de las temperaturas de los dos focos [6].

En la figura 1.5 se puede apreciar una figura de mérito que muestra las eficiencias de distintos materiales termoeléctricos contra la temperatura.

1.7 Materiales termoeléctricos Podríamos definir como materiales termoeléctricos a aquellos materiales en los que se establece una diferencia de potencial entre sus extremos cuando son sometidos a un gradiente térmico [10].

A niveles prácticos un material se puede considerar termoeléctrico cuando su figura adimensional de mérito (ZT) alcanza valores superiores a 0.5. De todos modos este

criterio de clasificación es muy arbitrario, y podría llevarnos a descartar materiales con muy buenas perspectivas de éxito en el campo de la generación eléctrica. El motivo es que el producto ZT refleja la eficiencia de un material termoeléctrico, pero no su capacidad de generar energía, y algo que la ciencia suele dejar de lado, el precio [10]

Figura 1.5 Figura de mérito de diferentes materiales termoeléctricos [11]

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

semiconductores.

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 [12].

Los semiconductores usados en la fabricación de los módulos termoeléctricos se pueden dividir en tres tipos, según su temperatura optima de funcionamiento: Baja temperatura (