En este instructivo, le mostraremos cómo construir un colector solar termoeléctrico casero portátil que pueda generar suficiente electricidad para cargar dispositivos móviles o electrodomésticos pequeños.
Aunque generalmente se utiliza células fotovoltaicas para aprovechar la energía solar, en este caso nos enfocaremos en concentrar el flujo de energía solar en un punto y utilizar el calor para generar energía termoeléctrica.
En este proceso, aprovecharemos la energía calorífica del sol y la energía fría que proporciona un congelador que construiremos. Normalmente, las células fotovoltaicas utilizan el flujo de fotones emitido por el sol para desplazar los electrones y crear una diferencia de potencial. Sin embargo, nos enfocaremos en la concentración del flujo de energía solar para generar energía térmica y, posteriormente, termoeléctrica.
Características de un colector solar termoeléctrico casero
Un colector solar termoeléctrico o generador termoeléctrico solar (GTE) es un dispositivo que convierte la energía solar en electricidad mediante el uso de células termoeléctricas. Estas células son dispositivos que convierten la diferencia de temperatura entre dos materiales en una corriente eléctrica.
En un GTE, las células termoeléctricas están dispuestas en una matriz y se exponen a la radiación solar directa. Una parte de la matriz se calienta por la luz solar, mientras que la otra parte permanece en sombra, creando una diferencia de temperatura en la matriz. Esta diferencia de temperatura produce una corriente eléctrica a través de las células termoeléctricas, lo que genera electricidad.
Los GTE tienen algunas ventajas sobre otros sistemas de generación de energía solar, como la capacidad de generar electricidad en condiciones de baja luminosidad y la posibilidad de utilizarlos en zonas remotas donde no hay acceso a la red eléctrica. Sin embargo, su eficiencia es relativamente baja en comparación con otros sistemas de generación de energía solar, como los paneles solares fotovoltaicos.
Funcionamiento del colector solar termoeléctrico casero
Inicialmente, para comprender el desarrollo y adaptar así la construcción de nuestro proyecto es necesario tener una serie de conceptos claros:
- 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.
- 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.
- 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.
Herramientas y materiales para el colector solar termoeléctrico casero
Concentrar luz solar y proporcionar una fuente fría al sistema servirá para producir energía eléctrica a partir de un módulo termoeléctrico. Para ello, necesitará un instrumento que concentre gran cantidad de energía solar en el interior de un dispositivo capaz de preservarla y transmitirla.
Para este instructivo decidimos utilizar placas Peltier destinadas para la refrigeración de sistemas electrónicos por ser una herramienta barata capaz de realizar el trabajo de conversión de energía térmica en energía eléctrica. Existen también los módulos TEG (Generadores termoeléctricos) que son mucho más eficientes que las células Peltier pero, lamentablemente, su valor en el mercado es muy elevado. Por lo tanto, para que este proyecto sea asequible para cualquier individuo utilizaremos placas Peltier.
Herramientas
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Materiales
- Un cantidad suficiente de placas Peltier para producir un voltaje respetable (en la demostración se utilizaron 8).
- Pintura negra mate para favorecer la captación de calor.
- Aislante térmico para evitar pérdidas del sistema tanto del foco caliente como del foco frio y para que el mismo sea lo más eficiente posible (en la demostración se uso goma EVA).
- Chapa metálica de aluminio moldeable para construir la estructura receptora, o en su defecto caja metálica tipo “caja de galletas”. Esta chapa también servirá para poner en contacto las placas Peltier con la zona fría.
- Botella de gel refrigerante.
- Un material aislante del tipo placa de mica rígida (como vitroceramica).
- Lente Fresnel pequeña o grande (Puede extraerlo de una pantalla de un televisor)
- Hembra de enchufe estándar o adaptador necesario para cargar el celular.
- Plancha de madera contrachapada de 3mm de espesor o más.
- Juego de tornillos, tuercas y bisagras.
- Perfiles en “L” de acero inoxidable pequeños para colocar tornillos.
- Protoboard.
- Recipiente hermético de plástico.
Cómo construir un colector solar termoeléctrico casero
Es importante tener en cuenta que la construcción de un colector solar termoeléctrico casero puede ser peligrosa si no se toman las precauciones adecuadas. Aquí hay algunas medidas de seguridad que se deben tener en cuenta durante la construcción:
- Use equipo de protección personal: Use guantes, gafas de seguridad y ropa adecuada para protegerse de las quemaduras y los cortes.
- Asegúrese de que el sistema esté desconectado: Antes de comenzar a trabajar en el sistema, asegúrese de que esté desconectado de cualquier fuente de energía, incluidas las baterías.
- Evite cortocircuitos: Asegúrese de que los cables y las conexiones estén bien aislados para evitar cortocircuitos. Si es necesario, use cinta aislante o tubos termorretráctiles para proteger los cables.
- Mantenga el sistema alejado de materiales inflamables: Asegúrese de que el sistema esté alejado de materiales inflamables como gasolina, pinturas, solventes y otros productos químicos.
- Use materiales de calidad: Use materiales de calidad para construir el sistema. Asegúrese de que los materiales sean resistentes a altas temperaturas y a la corrosión.
- Consulte a un experto: Si no tiene experiencia en la construcción de un colector solar casero, es recomendable que consulte a un experto en la materia para obtener asesoramiento y orientación sobre la construcción y el funcionamiento seguro del sistema.
Asegúrese de tomar todas las medidas necesarias para garantizar la seguridad durante la construcción y el uso del sistema.
Paso 1: Pruebas preliminares
Antes de comenzar debe comprobar qué cantidad de energía es capaz de producir con los módulos que haya adquirido, así será capaz de diseñar un sistema que se adapte a los requerimientos de las mismas a partir de la experiencia. Para ello, realice estos 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.
Experimento 1
El primer experimento 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 estará en contacto con un foco frio, en este caso una botella de gel refrigerante. El resultado que obtendrá 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 en la demostración = 1,6V
Experimento 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 seguirá 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 en la demostración = 2,37V
Experimento 3
En este tercer y último experimento averiguará cuantas placas harían falta para producir un voltaje de al menos 5V en el caso de que la máquina que vamos a construir fuera bastante más eficiente que los sistemas anteriores. Inicialmente coloque una placa sobre un disipador de aluminio e introdúzcalos dentro de un recipiente con agua caliente (60ºC).
Directamente sobre la placa coloque un cubito de hielo y compruebe cuanta corriente obtiene con un multímetro. La corriente es de 1,19V en la demostración. Como se dijo 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 en la demostración = 1,19V
Construcción del prototipo final
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: Este será hecho de metal reflectante en el interior que será el receptor de los rayos de sol concentrados por la lente Fresnel.
- Foco frío: Este será un recipiente hermético bien aislado térmicamente y con posibilidad para el vaciado y llenado con un elemento refrigerante (agua en este caso).
- Lente Fresnel: Deberá estar sujeta en el exterior de la caja por un marco que impida que se doble y que la mantenga a la distancia adecuada (11 – 14 cm) para concentrar la luz sobre el foco cálido.
Nota: Puede plantear el diseño valiéndose de herramientas de diseño 2D y 3D como Autodesk, aunque esto es opcional.
Paso 2: Foco Cálido
Para construir el receptáculo solar, primero debe recortar y moldear una chapa fina de aluminio. Luego, deberá tomar medidas de la superficie ocupada por las placas Peltier que serán utilizadas para el proyecto y dimensionar la capacidad del receptáculo en consecuencia. En la demostración se utilizaron 8 placas colocadas juntas para concentrar el haz de luz en una superficie lo más pequeña posible para aumentar la temperatura interna.
Es importante que el receptáculo no sea demasiado grande ni demasiado pequeño para evitar la pérdida innecesaria de energía o que el aire interior no se caliente lo suficiente. En la demostración, con 8 placas de 4cm x 4cm, se tomó una superficie de 16cm x 8cm y se construyó una semi-caja de aluminio como se muestra en la imagen de arriba.
Armado de la caja de aluminio
Para el armado de la caja de aluminio y madera, las líneas azules marcan la zona donde se doblará la chapa metálica para formar una caja con una pequeña ventana para dejar pasar la luz. El recuadro central amarillo será recortado y retirado para ser reemplazado por una chapa de otro metal mejor conductor o 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 en las solapas superior e inferior serán agujeros por donde permitiremos el escape de aire sobrecalentado. Finalmente, las placas se conectarán en serie para obtener un voltaje sumado de cada uno de los trabajos de conversión térmica realizados por cada placa.
Armado de la caja de madera
Para construir la caja de madera que contendrá el foco cálido y frío comience por dibujar dos pares de rectángulos simétricos sobre la plancha de madera contrachapada con lápiz y regla. Las medidas no tienen que ser precisas, solo asegúrese que al recortar los rectángulos y juntarlos para formar una caja puedan contener el aluminio en su interior en altura y ancho sin problema y dejar al menos el doble de espacio para su profundidad. Con eso hecho, dibuje dos nuevos rectángulos en la plancha de madera que sean del tamaño y del techo y piso de la caja.
Desde el piso, únalas paredes de la caja utilizando perfiles en “L” pequeños de acero inoxidable. Antes de unir el techo con bisagras, deberá cortar una ventana del tamaño que las placas Peltier ocupan. Coloque a continuación, la caja de aluminio en el interior de la de madera y verifique el tamaño de la ventana.
Paso 3: Foco Frío
Para el foco frio se utilizará un 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 utilizando una sierra Dremel 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 el 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.
Paso 4: Instalación y uso del colector solar casero
El colector solar termoeléctrico casero está diseñado para ser colocado cerca de la ventana de la casa que reciba la mayor cantidad de horas de sol diarias. Puede usar imanes de neodimio para mantener el dispositivo en su lugar en la ubicación que considere más adecuada. En la demostración, por ejemplo, se colocó una lente más grande o más pequeña al otro lado de la ventana después de la prueba.
Dependiendo de los requisitos térmicos, el dispositivo se puede colocar en diferentes lugares y la lente Fresnel utilizada será independiente pero afectará el área de uso. Si una lente pequeña no es suficiente, deberá adquirir una más grande para alcanzar la temperatura requerida. La lente grande utilizada en la demostración fue obtenida de un televisor antiguo encontrado cerca de la casa en la basura.
Como resultado, se alcanzó un voltaje máximo de 6 V, que es suficiente para cargar un teléfono móvil o hacer funcionar un pequeño motor conectado a una hélice (ventilador) para mantenerse fresco durante las tardes soleadas. Es importante tener en cuenta que la eficiencia de las placas utilizadas en la demostración es baja, pero si se usan TEG de alta eficiencia, el voltaje total podría duplicarse y sería posible cargar un ordenador portátil usando solo agua como refrigerante y la energía solar del día.
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Muy agradecido con la información bastante necesaria en nuestro país, actualmente tenemos muchas fallas por variación en voltaje de energía eléctrica alterna!