Stockholm Junior Water Prize Ecuador2018-2019

Zeus: diseño de un generador termoeléctrico con placas Peltier (prototipo)

Cristhian Murillo Lozano (Estudiante)Jimmy Guazumba Quinga (Tutor)

Instituto Superior Tecnológico “17 de Julio”Urcuquí-Imbabura

Abstract. Zeus no pretende ser un simple prototipo de generador termoeléctrico. Su objetivo principal es diseñar un sistema óptimo para una posterior simulación de las regiones volcánicas inactivas imbabureñas. Esto implica que, a pesar de medir su capacidad por medio de una experimentación cualitativa a escala laboratorio, es un punto de partida para que en el territorio nacional se apoye a un innovador nicho de mercado: las energías renovables.

Así pues, el reloj del cambio climático se sigue moviendo y es necesario que se deje de lado, poco a poco, la explotación de combustibles fósiles. Por tal motivo, en el presente estudio se ha hecho hincapié en la termoelectricidad, su fundamento y aplicación en la geotermia, especialmente en los efluentes de Chachimbiro y Cuicocha. De esta manera, en la sección Materiales y métodos se describió cómo se experimentó con Zeus en un ambiente controlado, simulando las condiciones de las áreas geotérmicas mencionadas. Finalmente se concluyó que el proyecto debe desarrollar una mejor versión del dispositivo, a fin de realizar estudios

in situ con un diseño experimental en el que se modifiquen variables como el tipo de semiconductor o superficie geotérmica.

1. IntroducciónPara Eduardo Bollati (2007) de Global Thermoelectric “los generadores termoeléctricos son una alternativa sencilla, altamente confiable y económicamente conveniente para solucionar el problema de alimentación eléctrica de cargas de hasta 2 000 W en áreas remotas” (p. 89). En su estudio “Generadores temoeléctricos: generación de energía sin partes móviles” se destacó un aspecto importante de estos sistemas energéticos: su capacidad todo terreno. Esto permite que se eviten gastos en la construcción de refugios o complicadas instalaciones. Gracias a esta propiedad, se pueden producir entre 2 W a 5 000 W en un entorno adecuado.

Como antecedentes, Ecuador, al encontrarse en el Cinturón de Fuego del Pacífico, presenta una región volcánica, con ciertas elevaciones activas. Aquellas que no lo están, han formado parte de investigaciones con técnicas isotópicas y geoquímicas desde 1990. Una de ellas, realizada por Almeida, Sandoval, Panichi, Noto y Bellucci (1990) señaló que “se han efectuado estudios geocientíficos exploratorios en las áreas de Tufiño, Chachimbiro, Cuicocha, Papallacta, Chalupas, Tungurahua, Chimborazo y Cuenca, a fin de determinar las posibilidades de utilización del recurso geotérmico en la generación eléctrica” (Organismo Internacional de Energía Atómica, 1990, p. 220). De esta manera, se entiende que la necesidad

del uso de energías renovables en el país data desde finales del siglo anterior. Beate & Urquizo (2015)emitieron un diagnóstico similar, con el mismo propósito y aumentando su muestreo a 11 posibles zonas: Chachimbiro, Chalpatán, Chacana- Jamanco, Chalupas, Guapán, Chacana-Cachiyacu, Tufiño, Chimborazo, Chacana-Oyacachi, Baños de Cuenca y Alcedo.

En suma, bajo los antecedentes e importancia mencionados, el proyecto Zeus, pretende solucionar uno de los problemas nacionales de eficiencia energética: el desarrollo de energías renovables y alternativas a los combustibles fósiles. Existen prototipos sobre este tema, como el de Mostafavi & Mahmoudi (2018), pero en el país, la carencia de valor que se le otorga a esta área de trabajo, ocasiona que no se invierta en emprendimientos dedicados a este nicho de mercado.

Por otro lado, la mayor parte de las zonas termales en Imbabura no son aprovechadas más que en el sector turístico (lo cual no demuestra una desventaja, puesto que se promueve la economía local); no obstante, el reloj del cambio climático se sigue moviendo, y Zeus, con datos obtenidos in situ, puede promover que otras instituciones a nivel nacional se interesen por la energía geotérmica, e incluso inviertan en este proyecto, de tal manera que se pase desde un estudio de escala laboratorio, a uno a nivel industrial.

Además, es un proyecto real y viable ya que se puede medir la capacidad de Zeus en puntos específicos de Imbabura, tomando como referencia las ubicaciones de Beate & Urquizo (2015) y OIEA (1990) (dicho aspecto se detallará en la sección Error: Referencesource not found).

Por lo tanto, el objetivo general de Zeus es: diseñar un prototipo de generador termoeléctrico a partir de celdas Peltier y un gradiente de temperatura estable, de tal manera que se realicen estudios a escala laboratorio de su eficiencia simulando el ambiente de regiones volcánicas inactivas de Imbabura. En cuanto a objetivos específicos, se plantea: utilizar una fuente de energía para la alimentación del equipo, simulando las regiones térmicas de Imbabura; implementar un sistema de placas Peltier para que se obtenga una mejor eficiencia energética bajo temperaturas controladas; y medir la eficiencia del prototipo en puntos específicos de las regiones volcánicas inactivas en Imbabura.

2. Marco teórico TermoelectricidadLos primeros efectos termoeléctricos fueron descubiertos en 1821 por Thomas Seebeck, demostrando que, se puede producir calor por la diferencia de temperaturas entre dos materiales conductores; tiempo después, Jean Peltier en 1851 añadió que en este sistema, especialmente en termocuplas, se absorbe o libera calor; finalmente, el efecto refrigerante lineal o calefactor, descrito por William Thomson (Lord Kelvin) confirmó que el gradiente térmico produce energía eléctrica por un conductor homogéneo (Bollati, 2007; Goldsmid, 2016).

La idea de un semiconductor sería necesaria para la creación de un material alto en coeficiente de Seebeck, alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. Incluso, a mediados del siglo XX, por los avances bélicos de la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron las primeras termopar con “sistemas de seguridad por falta de llama” (Bollati, 2007, p. 85), con aleaciones de Sb-Zn, Si-Ge, Bi-Te, y Pb-Sn-Te.

Con el desarrollo de módulos Peltier, los generadores termoeléctricos (Termo-electric Generator o TEG) fueron perfeccionados con semiconductores de dopaje P y N, y utilizados solo como sistemas de seguridad (Bollati, 2007). Se han construido prototipos con alimentación no catalítica (gases) y catalíticas (con quemadores convencionales).

Figura 1. Sistema tradicional de un TEG. Fuente. Bollati (2007).

Figura 2. Módulo Peltier. Fuente. Uher (2017).

GeotermiaLa energía geotérmica se produce por el flujo de calor en el interior del planeta, el cual está disponible en sistemas de alto nivel geológico e hidrotérmico (como volcanes y los efluentes que los rodean). El mecanismo funciona por el movimiento del manto, corteza inferior y superior, debido a los diferentes estados físicos en los que se encuentra la litósfera y el magma que contiene. Por esta razón, a los volcanes se los considera como manómetros que operan cerca de un equilibrio estático (Rybach & Stegena, 1979).

Figura 3. Representación esquemática de la corteza. Fuente. Rybach & Stegena (1979).

Una de las principales estructuras de los volcanes son las rocas, cuyas propiedades físicas como sólidos isotrópicos obedecen a la ley de Fourier, donde la conductividad térmica k es una constante de proporcionalidad entre la densidad del flujo de calor

q y el gradiente de temperatura ∇T (Pasquale, Verdoya, & Chiozzi, 2014):

q=−k∇T (1)

Para medir la conductividad térmica en suelo y rocas se pueden utilizar dos métodos, para un estado transitorio y un estacionario (o de barra dividida). La cuantificación por barra dividida utiliza una celda cilíndrica cuyos extremos tienen dos discos de vidrio con una conductividad y resistencia térmica conocida. El interior del módulo se encuentra saturado en agua. Al ser la resistencia térmica directamente proporcional a la temperatura, se obtiene la conductividad térmica comparando el incremento de temperatura en las secciones del cilindro (Pasquale et al., 2014).

Figura 4. Esquema del método de la barra dividida. Fuente. Pasquale et al. (2014).

En un estado transitorio se usa una sonda de 1 a 3 mm que se inyecta en la fuente de calor. Se determina la conductividad bajo la teoría de una línea infinita de calor.

Figura 5. Esquema del método de sonda. Fuente. Pasquale et al. (2014).

Técnicas para medir la capacidad de un generador termoeléctrico

Zeus es conveniente en el territorio ecuatoriano, en especial en la región interandina, donde los terrenos volcánicos ocupan un ancho promedio de 80 Km (OIEA, 1990).

Figura 6. Áreas geotérmicas en Ecuador, en rojo se señala las áreas en las que el proyecto Zeus puede recolectar datos. Fuente. Beate & Urquizo (2015).

Los estudios de OIEA (1990) y Beate & Urquizo (2015) determinaron puntos en los que es posible aprovechar la energía geotérmica, de los cuales, se han detallado los más cercanos a la provincia de Imbabura:

Tabla 1.Ficha técnica de los posibles puntos para aprovechar la energía geotérmica.

Sector Ubicación Temperatura de efluentes

Composición química de efluentes

Puntos de alta geotermometría

Tufiño

3 800 a 4 200 msnm

A 35 Km de Tulcán. Presencia de volcanes Chiles y Cerro Negro

32-52°C

75% bicarbonato

12.5% sulfato

Fuentes de H2S

230°C

A 2.5 Km del volcán Chiles en pozos cercanos de 200 m a 300 m de profundidad.

Chachimbiro

2 800 a 4 000 msnm

Urcuquí, a 20 Km de Ibarra, Imbabura.

>61°C 2 250 ppm Cl

Na- K:

225-235°C.

Ca-Mg: 110°C

Si: 170°C

COx: 260°C

Quebrada Azufral

Quebrada Pijumbí

Sector Ubicación Temperatura de efluentes

Composición química de efluentes

Puntos de alta geotermometría

Chalpatán

3 200 msnm

20 Km de Tulcán.

26-36°CNa-Ca

Bicarbonato

70-120°C

Caldera de Chalpatán

Cuicocha

3 068 msnm

Entre volcanes Cotachachi y Cuicocha

45°CBicarbonato

Cloruros

200°C

Lago de Cuicocha

Papallacta

3 300 msnm

A 67 Km de Quito

58.9 – 64.6°C

Cloruro de sodio

Sulfato cálcico

200°C

Pozos termales

Jamanco, Cachiyacu

Nota: Adaptado de Beate & Urquizo (2015) y OIEA (1990).

Beate & Urquizo (2015) organizaron en una matriz, la composición química de los efluentes en las áreas geotérmicas principales de Ecuador, entre ellas, las descritas en la tabla anterior. Además, aproximan una producción energética de 138 MWe (Tufiño), 484 000 GWh (Chalpatán) y 113 MWe (Chachimbiro). Dicha información se encuentra en la sección Error:Reference source not found. Con Zeus, se espera recolectar datos en por lo menos tres de los puntos de alta geotermometría, de preferencia en Chachimbiro (Quebradas Azufral y Pijumbí) y Cuicocha (a los alrededores del lago), debido a que se encuentran cerca de la Universidad Yachay Tech y del Instituto Superior Tecnológico “17 de Julio”. De esta manera se emitiría la información de manera inmediata en los centros de investigación de cada institución, para una futura publicación de los resultados. Sin embargo, ya existen proyectos geotérmicos en Chalpatán y Tufiño, por lo que pueden formar parte de las zonas de estudio. También, previo a la medición, se podría utilizar el método de sonda para determinar cuáles son los lugares con mayor conductividad térmica. Con ello, se estimaría la ubicación óptima para el funcionamiento del prototipo.

3. MetodologíaDescripción del experimentoTabla 2. Características y cantidad de los materiales para el prototipo.

Materiales Características Cantidad

Celdas Peltier Modelo TEC1-12706

Voltaje: 15V DC (12 V)

Corriente: 6 A

Potencia: 50-72 W

Temperatura de trabajo: -30 a 70°C

Dimensiones: [4 × 4

2

Materiales Características Cantidad

×0.3] cm

Peso: 23 g

Recipiente de acero inoxidable

Cierre hermético

Dimensiones: [4 × 4 ×0.3] cm 1

Módulo Step Up

Modelo CN6009

Microcontrolador XL6009

1

LCD

Controlador HD44780

Matriz 16 × 2

Voltaje: 5V DC

Dimensiones pantalla:

[64.5 × 16] mm

Dimensiones módulo:

[80 × 35 × 11] mm

1

Panel solar

Policristalino

Voltaje: 6 V

Potencia: 1 W

Corriente: 200 Ma

Dimensiones: [600 × 590] mm

1

Panel LED

85 A 265 V

Flujo luminoso: 48 LM temperatura

Color: 6 000-6 500 K

Tamaño: [9×9] cm

1

Arduino UNO R3

Microcontrolador ATmega328

Voltaje: 5 a 12 V

14 entradas digitales I/O (6 salidas PWM)

32k de memoria flash

Reloj de 16MHz de velocidad

1

Reverbero eléctrico

Regulador de temperatura

Voltaje: 110 V a 220 V1

Tabla 3. Características y cantidad de los instrumentos para el prototipo.

Instrumentos Características Cantidad

Sensor de temperatura sumergible

Sensor digital

Resolución de 9 y 12 m

Rango: -50 a 125°C

Precisión: ± 0.5°C

Protocolo OneWire

1

Multímetro

Rango de tensión DC:

200 mV a 1 000 V

Rango de tensión: Hasta 750 V

Rango de corriente: 200uA a 200mA y hasta 10A con fusible

Resistencia: 200 a 2 mΩ

1

Para el sensor de temperatura, se utilizará el siguiente código y esquema:

Figura 7. Esquema para el sensor de temperatura. Fuente. Mostafavi & Mahmoudi (2018).

El prototipo se probará en un ambiente controlado, en el Laboratorio de Química del Instituto Superior Tecnológico “17 de Julio”:

Figura 8. Localización del experimento. Adaptado de Google Maps ®.

Descripción de la muestraSe manejarán tres temperaturas diferentes regulando el nivel del reverbero eléctrico, durante tres repeticiones, con el fin de obtener datos significativos a escala laboratorio.

.

ProcedimientoSe dispondrá el reverbero eléctrico debajo de una caja metálica para proveer de calor a tres niveles.

En la unión con panel solar se encuentra la pasta térmica que se une a las células Peltier, las cuales recibirán el calor suministrado por el reverbero.

Se conectarán las células Peltier y el panel solar al sistema en serie.

Para el punto crítico se generarán los datos del voltaje. Para el sistema en serie se acoplarán cables que se unen al multímetro

Los cables del multímetro se conectarán a la fuente DC-DC Step Up Regulable, que es un elevador de voltaje, de 3 V a 12 V.

El regulador controlador se unirá a la batería para almacenar energía y a un panel LED, a una entrada USB para suministrar energía.

El sensor de temperatura permitirá medir el calor transmitido en los tres niveles del reverbero, de tal manera que se mida la cantidad de electricidad producida.

4. Resultados y DiscusiónHallazgos encontradosLa cantidad de voltaje obtenido en los tres niveles de temperatura se recopiló en la siguiente tabla. Cabe destacar que las corridas experimentales fueron totalmente aleatorias para reducir el error.

Tabla 4. Datos obtenidos durante la experimentación en un ambiente controlado.

Repetición Temperatura (°C)

Corriente (A)

Voltaje (V)

Potencia (W)

2 40 0.12 2 0.3

1 80 0.21 6 1.6

3 120 0.40 9 3.5

1 40 0.13 3 0.4

3 80 0.20 5 1.5

2 120 0.35 8 3.4

3 40 0.11 2 0.2

2 80 0.21 6 1.6

1 120 0.40 9 3.6

Por otro lado, el prototipo armado se puede apreciar en la siguiente figura:

Figura 9. Esquema del dispositivo.

Figura 10. Panel LED.

Figura 11. Unión del carril y el regulador controlador.

InterpretaciónLos voltajes obtenidos demuestran que el dispositivo produce energía gradualmente, de tal forma que el gradiente de temperatura en un ambiente controlado, permite que el prototipo genere hasta 3.6 V a 120°C.

En comparación a los estudios de Mostafavi & Mahmoudi (2018), es necesario el uso de módulos TEC12706 para lograr una mejor conductividad térmica hacia las placas Peltier. Por otro lado, el prototipo de Zeus utiliza también placas semiconductoras y puentes de desechos electrónicos (ordenadores portátiles y torres CPU). Dicha ventaja se encuentra cuando se desarrolla cualquier sistema electrónico, por la accesibilidad que se tiene hacia los equipos de gama baja que son rechazados en el mercado, pero que contienen materiales con aleaciones útiles (como Sb-Zn, Si-Ge, Bi-Te, y Pb-Sn-Te).

En el caso de Zeus, se manejaron placas de Si y Al para probar su capacidad e incluso hacer demostraciones en ferias, ponencias y concursos.

5. ConclusionesSe diseñó un prototipo de generador termoeléctrico a partir de celdas Peltier y un gradiente de temperatura estable, de tal manera que se realizaron estudios a escala laboratorio de su eficiencia, simulando el ambiente de regiones volcánicas inactivas de Imbabura. Así pues, se utilizó una fuente de energía para la alimentación del equipo con un reverbero eléctrico; se implementó un sistema de placas Peltier, con el que se obtuvo cierta eficiencia energética bajo temperaturas controladas en tres niveles (40, 80 y 120 °C). Esto se comprobó al medir su voltaje durante tres repeticiones de forma aleatoria. No se trataron estadísticamente los datos debido a que se necesitaba una inferencia cualitativa del rendimiento del dispositivo, sin alterar otras variables más que la temperatura que puede recibir Zeus y el voltaje que produce.

No obstante, se espera cumplir con el último objetivo específico de este proyecto luego de un diseño

experimental adecuado a la aplicación del prototipo, alterando variables como el tipo de semiconductor o la conductividad térmica de diferentes superficies. De esta forma se podrán elegir correctamente los métodos para medir la conductividad térmica de las regiones a estudiar, además de la experimentación in situ dentro de las localidades geotérmicas imbabureñas, como Chachimbiro y Cuicocha.

Dentro de los hallazgos obtenidos, no existe mucha diferencia entre los resultados de Mostafavi & Mahmoudi (2018). A pesar de ello, Zeus es capaz de adaptarse con materiales de desechos electrónicos recuperados a partir de equipos de gama baja. Esto demuestra una iniciativa innovadora, amigable con el medio ambiente.

6. RecomendacionesSe recomienda que en posteriores investigaciones se mejore el prototipo, con una carcasa apta para los estudios in situ que se requieren en las regiones geotérmicas propuestas.

7. ReferenciasBeate, B., & Urquizo, M. (2015). Geothermal

Country Update for Ecuador: 2010 - 2015. World Geothermal Congress 2015, 14. Recuperado de http://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2010/0160.pdf

Bollati, E. (2007). Generadores termoeléctricos: Generación de energía sin partes móviles. Petrotecnica, 84–90. Recuperado de http://biblioteca.iapg.org.ar/archivosadjuntos/petrotecnia/2007-2/generadores.pdf

Goldsmid, H. J. (2016). Introduction to Thermoelectricity. En Springer Series in Materials Science. Berlín: Springer.

Mostafavi, S. A., & Mahmoudi, M. (2018). Modeling and fabricating a prototype of a thermoelectric generator system of heat energy recovery from hot exhaust gases and evaluating the effects of important system parameters. Applied Thermal Engineering, 132, 624–636. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.01.018

Organismo Internacional de Energía Atómica. (1990). Estudios geotérmicos con técnicas isotópicas y geoquímicas en América Latina. Austria.

Pasquale, V., Verdoya, M., & Chiozzi, P. (2014). Geothermics: Heat Flow in the Lithosphere. https://doi.org/10.1007/978-3-319-02511-7

Rybach, L., & Stegena, L. (Eds.). (1979). Geothermics and Geothermal Energy (1ra ed.). https://doi.org/10.1016/0016-7142(80)90037-x

Uher, C. (Ed.). (2017). Materials Aspect of Thermoelectricity. CRC Press/Taylor & Francis Group.

8. Anexos

Dia 1 Dia 2 Dia 3 Dia 4 Dia 5 Dia 6 Dia 7 Dia 8 Dia 9 Dia 10 Dia 11 Dia 12

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Planificación proyecto xInvestigación tema de exposición x

Establecimiento de tema x

Estblecimiento de materiales necesarios para la construcción de un protipo

x

Desarrollo de Marco Teórico x

Compra de materiales x xTerminación de Investigación y proyecto escríto

x

Desarrollo de prototipox x x x

Pruebas de funcionamiento prototipo

x

Pruebas finales y verificación de funcionamiento

x x x x

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES PROYECTO

ACTIVIDAD

Febrero 2018

Figura 12. Planificación de actividades.

Tabla 5. Presupuesto.

Material Cantidad Costo (USD) Células Peltier tipo TEC1-12726 de 382* 2 30.00Fuentes DC-DC Step Up Regulable MT608 1 6.00Regulador controlador 1 6.50 Panel solar 1 10.00Caja de metal 2 3.00Sensores de temperatura 1 12.00Panel led 1 3.00Machero 1 3.00Batería 1 5.00Cables de Cu 20 6.00Soldadora 1 12.00Corta cables 1 8.00Carril 1 5.00Multímetro 1 15.00Total 124.50

Nota: *Es el componente más importante y tiene una duración aproximada de 20 años. El resto de materiales tienen un promedio de vida útil de 10 años (Mostafavi & Mahmoudi, 2018).