Generador Solar Seebeck Portatil

Hola a todos! He aquí mi primer Instructable. He invertido en él mucho tiempo y esfuerzo intentando hacerlo útil, comprensible y ordenado. Espero que os guste!

En principio se trata de un intento de producir energía eléctrica útil a partir de la energía calorífica del sol y el aprovechamiento del frio, a veces desaprovechado, que nos proporciona nuestro congelador, el cual nunca está lleno al 100%.

He decidido escribir este Instructable en Castellano para hacer llegar la idea a la comunidad hispano parlante, cuya participación en este tipo de comunidades de difusión de conocimientos es aún baja, y animarla así a que se publiquen más de sus grandes y valiosos proyectos e ideas en estas comunidades creativas.

En primer lugar, el uso de energía procedente del sol es una buena alternativa al consumo de cualquier tipo de materia para producir una combustión y generar electricidad. Tanto España como la zona central de América, al igual que otras zonas cercanas al ecuador del planeta, disfrutan de largos e intensos periodos de sol al día y pienso que la innovación en este sector es clave en el desarrollo de nuevas fuentes energéticas.

Casi siempre se asocia el aprovechamiento de la energía solar con el uso de células fotovoltaicas que aprovechen el flujo de fotones emitido por el sol para desplazar un electrón y crear un vacio que produzca una diferencia de potencial. Pero, ¿por qué no concentrar ese flujo sobre un solo punto y valernos del calor para generar energía termoeléctrica?

Esta fue la pregunta que inicialmente me surgió. Acompañando a ella otras del tipo, ¿cuán eficiente podría llegar a ser este sistema?¿Qué cantidad de energía eléctrica podría llegar a obtener de él? Dejémonos de preguntas, construyamos un prototipo y comprobémoslo por nosotros mismos!

Concentrar luz solar y proporcionar una fuente fría al sistema podría ayudarnos a producir energía eléctrica a partir de un módulo termoeléctrico.

Necesito pues un instrumento que concentre gran cantidad de energía solar en el interior de un dispositivo capaz de preservarla y transmitirla.

Estoy familiarizado con el uso de células Peltier para la refrigeración de sistemas y son una herramienta barata capaz de realizar el trabajo de conversión de energía térmica en energía eléctrica. Existen también módulos TEG (Thermo Electric Generation) mucho más eficientes que las células Peltier con los que esta conversión produciría mayor cantidad de energía eléctrica pero, lamentablemente, su valor en el mercado es aún muy elevado así que puesto que lo que quiero es realizar un ensayo, me decido por usar Células de tipo Peltier.

Mi intención es la de acercar este tipo de módulos conversores a la potencia calorífica del sol. Lejos de intentar convertir este instructable en la receta para alcanzar una fuente de energía renovable e ilimitada, mi intención es comprobar empíricamente la validez de mi hipótesis que, de ser válida, me capacitaría a plantear otra serie de instrumentos más complejos y eficientes con los que aprovechar esta energía.

Inicialmente para comprender el desarrollo y adaptar así la construcción de nuestra idea es necesario tener una serie de conceptos claros:

1. Efecto Peltier

La aplicación de corriente a dos elementos metálicos de diferente naturaleza produce un flujo calorífico en una dirección determinada, efecto que produce el incremento de la temperatura de uno de los metales al mismo tiempo que induce la pérdida energética del otro, el cual se enfría.

2. Efecto Seebeck

Es este el efecto que nos interesa aprovechar. Se trata del efecto contrario al efecto Peltier, en este caso, la aplicación de un flujo energético en un sentido, es decir, aplicar calor en uno de los metales y retirarlo del otro (enfriarlo) produce un flujo de electrones traducido en corriente continua aprovechable.

3. Concentrador de luz (Lente Fresnel)

El uso de este tipo de lentes es muy extendido. Este tipo de lentes cumplen la misma función que la lente usada por cualquier lupa pero en nuestro caso su finalidad será la de focalizar el haz de luz proveniente del sol sobre nuestro sistema para calentar.

Antes de comenzar debo comprobar qué cantidad de energía soy capaz de producir con estos módulos que he adquirido, así seré capaz de diseñar un sistema que se adapte a los requerimientos de las mismas a partir de la experiencia. Para ello diseño tres experimentos. Aunque no lo parezca, estos "mini-experimentos" son muy necesarios pues nos dan una idea de la eficiencia de nuestras placas, muy variables en el mercado dependiendo del fabricante y los materiales empleados.

1. El primero consiste en colocar 8 placas Peltier en fila sobre un trozo de metal a modo de mesa. La parte en contacto con el metal es la encargada de recibir el calor (suministrado por una vela encendida). La parte superior irá en contacto con un foco frio, en este caso un bloque congelable. El resultado que obtengo es que la eficiencia es muy baja puesto que ni el frio ni el calor están en contacto íntimo con la placa y el sistema, muy ineficiente, produce muchas pérdidas.

Resultado= 1,6V

2. El segundo experimento consiste en colocar las 8 placas esta vez 4 sobre 4. De esta forma se minimizan las perdidas pero el sistema sigue siendo muy ineficiente.

El hecho de colocarlas de este modo no es el responsable real de que el voltaje obtenido sea mayor, más bien se debe a que permanecen de una forma más compacta. Este fenómeno si es recurrente cuando conectamos las placas a una fuente de energía, ya que el calor/frio producido por una, aumenta la diferencia de temperatura con respecto a la otra y esto repercute en la capacidad refrigerante de la misma.

Resultado= 2,37V

3. El tercer y último experimento. Con este experimento trato de averiguar cuantas placas me harian falta para producir un voltage de al menos 5V en el caso de que la máquina que vamos a construir fuera bastante más eficiente que los sistemas anteriores. Inicialmente coloco 1 placa sobre un disipador de aluminio y los introduzco dentro de un recipiente con agua caliente (60ºC).

Directamente sobre la placa coloco un cubito de hielo y compruebo cuanta corriente obtengo gracias a un multímetro. La corriente es de 1,19V. Como dije al principio, esta operación es imprescindible para tener una aproximación de cuanto de eficiente es la placa de la que dispones ya que el mercado es muy amplio y la
conversión térmica varía mucho de unas placas Peltier a otras.

Resultado= 1,19V

Para construir el prototipo necesitaremos:

1) Número suficiente de placas Peltier para producir el voltaje deseado (Compradas vía internet 2,3$ cada una).

2) Pintura negra para favorecer la captación de calor.

3) Aislante térmico para evitar pérdidas del sistema tato del foco caliente como del foco frio y que la maquina sea lo más eficiente posible (Reciclado) Material tipo etilvinilacetato o goma eva.

4) Silicona térmica (Tienda electrónica 5$)

5) Chapa metálica de aluminio moldeable para construir estructura receptora, o en su defecto caja metálica tipo “caja de galletas” (Reciclado). Esta chapa también nos servirá para poner en contacto las placas Peltier con la zona fría.

6) Bloque refrigerante.

7) Aislante, placa de mica rígida (Recuperado de vitroceramica).

8) Lente Fresnel pequeña (2$), lente Fresnel grande (Recuperada la pantalla de un televisor)

9) Hembra de enchufe estandar o adaptador necesario para cargar el celular (0,5$)

10) Acabado en chapón de madera para aislar del exterior (Reciclado)

11) Juego de tornillos, tuercas y bisagras.

12) Protoboard.

13) Cinta adhesiva de aluminio (1$).

14) Recipiente hermético de plástico (Reciclado)

Las herramientas utilizadas han sido:

1) Soldador.

2) Multímetro.

3) Termómetro laser.

4) Tijeras, reglas, pegamento.

5) Segueta o sierra electrica para cortar el chapón de madera a medida.

6) Juego de destornilladores y tornillos.

7) Dremel.

8) Pintura negra.

Debemos tener presente que nuestra máquina a va a trabajar usando un foco caliente (sol) y un foco frío (Bloque refrigerante), por ello debemos construir por separado dos armazones;

- Foco cálido: De metal reflectante en el interior que será el receptor del rallo de sol concentrado por la lente Fresnel.

- Foco frío: Recipiente hermético bien aislado térmicamente y con posibilidad para el vaciado y llenado con elemento refrigerante.

- Lente Fresnel: Deberá estar sujeta en el exterior de la habitación por un marco que impida que se doble y que la mantenga a la distancia adecuada (11-14cm) para concentrar la luz sobre el foco cálido.

(Podemos plantear el diseño valiéndonos de herramientas de diseño 2D y 3D como Autodesk)

Construcción del foco cálido:

Para la construcción del receptáculo solar utilizaré una chapa fina de aluminio que podré recortar con tijeras de acero y moldear con mis propias manos.

Tomaremos las medidas de la superficie ocupada por las placas Peltier que van a ser utilizadas para el proyecto.

A partir del espacio ocupado por las mismas dimensionarémos la capacidad del receptáculo. En mi caso usaré 8 placas puestas una junto a la otra, esto me permitirá concentrar el haz de luz sobre una superficie lo más pequeña posible para así provocar un aumento mayor de la temperatura interna.

El receptáculo solar deberá no ser muy grande ni muy pequeño, ya que no queremos perder innecesariamente energía en un volumen amplio pero tampoco queremos que el espacio sea tan pequeño que el aire de su interior no pueda llegar a calentarse.

En mi caso, siendo 8 las placas usadas (4cm x 4cm cada una) tomaré una superficie de 16cm x 8cm.
Colocaré dos filas de 4 placas cada una y construiré una caja de aluminio de las siguientes características:
(Todas las unidades están en centímetros)

Las líneas azules son las líneas que marcan la zona por la que doblaremos con un ángulo de 90º la chapa metálica, así conseguiremos una forma de caja con una pequeña ventana por la que dejaremos pasar la luz. El recuadro central amarillo será recortado y retirado, será la zona de contacto de la zona cálida de la placa con el calor condensado por la lente dentro del sistema. En su lugar estableceremos una chapa de otro metal mejor conductor que el aluminio (por ejemplo el cobre) o en su defecto una chapa de cobre pintada de color negro para favorecer la recepción del calor solar concentrado.

Las juntas no selladas de las dobladuras de la caja serán selladas con cinta adhesiva de aluminio para evitar fugas de calor.

Los 4 círculos marcados sobre las solapas superior e inferior serán agujeros por permitiremos el escape aire sobrecalentado.

Conectaremos las placas en serie para poder obtener un voltaje sumado de cada uno de los trabajos de conversión térmica realizados por cada placa.

Construcción del foco frío:

Recipiente impermeable y hermético, tipo fiambrera o caja de plástico/metacrilato. Este permanecerá cubierto de un aislante térmico que impedirá pérdidas de frio (ganancia de energía externa). A este recipiente le abriremos una ventana con el tamaño exacto que las placas Peltier ocupan. Esta ventana será tapada por una placa de aluminio cuyas dimensiones serán algo más grandes que la ventana para poder sellar la placa de aluminio con silicona hermetizante en el interior del recipiente. Dentro del mismo deberá haber espacio para introducir el bloque refrigerante junto con agua que facilite la transmisión térmica del bloque a la placa de aluminio donde irán adheridas las placas a partir de silicona térmica a la zona fría de las placas Peltier.

El dispositivo está pensado para ser puesto pegado a una ventana de casa, esa ventana que tenga más horas de sol diarias será ideal para colocar nuestro proyecto. Los imanes de neodimio nos ayudarán a que el artefacto permanezca sujeto en la zona que nosotros consideremos más apropiada. En mi caso, posteriormente a la prueba y según los resultados, colgaré una lente u otra (más grande o más pequeña) al otro lado de la ventana.

En función al requerimiento térmico el artefacto podrá ser colocado en uno u otro lugar y la lente Fresnel usada será totalmente independiente del mismo pero condicionará la zona de uso. Como ya dije, si no nos basta con una lente pequeña, tendremos que adquirir una un poco más grande que nos posibilite alcanzar la temperatura requerida por el aparato. Esta lente de gran tamaño la obtuve de un televisor antiguo encontrado en la basura cerca de casa.

De esta forma he conseguido obtener un voltaje máximo de 6 V. Es aún un voltaje demasiado pequeño. Con él podría cargar un teléfono móvil o mover un pequeño motor conectado a una hélice para pasar de forma más fresca la tarde de sol. En el video enlazado se puede comprobar cómo usar el prototipo.

La eficiencia de las placas adquiridas es muy baja pero usando TEG de alta eficiencia el voltaje total podría doblarse y sería posible cargar un ordenador portátil usando tan solo agua a modo de refrigerante y la energía solar del día.

Hay un claro beneficio, que es la obtención de energía eléctrica a partir de una fuente de energía renovable como es el sol y el aprovechamiento de un recurso no usado al 100% de su eficiencia, como es el congelador. En este caso se trata de aprovechar la energía no usada de un electrodoméstico para, a partir del sol recuperar energía.

El avance en este campo debería ir enfocado a la búsqueda de módulos con más capacidad de conversión.

Este avance podría llevar a desarrollar sistemas de este tipo con un diseño horizontal que puestos sobre la nieve o flotando sobre el mar se sirvieran del frío proporcionado por el sólido/fluido y del calor concentrado del sol sobre la otra cara de la placa para producir energía a un coste muy bajo, con poca potencia, pero eso si, energía útil y limpia al fin y al cabo.

Y hasta aquí mi primer instructable! Espero que os haya gustado!! Siempre un placer compartir con personas tan agradables y entregadas a la divulgación gratuita del conocimiento!

Un saludo, Joaquín.