Comunicación presentada al V Congreso de Smart Grids
Autores
- Roberto Pérez Mateluna, Académico, Universidad Tecnológica de Chile/Chile
- María del Carmen Ponce Mejía, Académico, Universidad Nacional San Agustín/Perú
- José Torres Titus, Académico, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso/Chile
Resumen
Evaluando las posibilidades de autogenerar energía eléctrica para un edificio de apartamentos ubicado en la ciudad de Arequipa, Perú, se analizó distintas fuentes de energía renovables disponibles. Dadas las condiciones que presenta la ciudad al ubicarse en una latitud baja y sobre los 2300 m.s.n.m. que implica una alta disponibilidad de radiación solar, se propone esta innovación tecnológica que utiliza la energía radiante sobre las paredes del edificio para generar electricidad. Como la radiación solar no incide con la misma intensidad en las distintas caras de un edificio, en algunas se puede alcanzar temperaturas mayores que en otras. Este gradiente puede amplificarse usando materiales apropiados para generar usando el efecto Peltier.
Palabras clave
Activación, Conductividad, Gradiente, Rendimiento, Energía Termo Solar
Introducción
La termodinámica es la madre de todas las ciencias ya que en ella están en tela de juicio los principios básicos que gobiernan la energía y la materia. Cuestiones trascendentes tales como la imposibilidad física de crear o destruir energía, primer principio de la termodinámica, y las limitaciones que impone el universo a la transformación de calor en trabajo útil, segundo principio de la termodinámica, son cuestiones de la mayor importancia, no de tránsito pasajero, con las cuales debemos convivir, para nuestro pesar, todos los días.
La situación global de necesidades energéticas crecientes y la disponibilidad acotada de recursos naturales factibles de utilizar para la generación eléctrica a gran escala, junto a los efectos contaminantes que dejan estas actividades de explotación, han llevado al desarrollo de tecnologías que generan a partir de fuentes de energía limpia y disponibles libremente. Dentro de estas la radiación solar como fuente fototérmica y fotovoltaica ha aumentado fuertemente su participación en la matriz energética de los países en vías de desarrollo.
En este proyecto se analiza la factibilidad de generar energía eléctrica, por medio de la diferencia de temperaturas que se observa cuando dos materiales con distinta absorbancia y reflectancia reciben intensidades de radiación solar distintas. Se propone el desarrollo de materiales poliméricos, flexibles y livianos que recubran las paredes exteriores de un edificio ubicado en Arequipa, Perú, región que por su localización geográfica presenta alta disponibilidad de radiación solar. Se espera generar y almacenar la suficiente cantidad de energía para abastecer los servicios comunes del edificio, que generalmente nadie quiere asumir.
Paralelamente al cubrir la edificación con láminas se evitará el continuo pintado de las paredes porque, la limpieza de estas laminas con algún fluido es suficiente para mantener la estética y evitar el deterioro de estas o del muro subyacente, en especial en atmosferas urbanas con alto contenido de contaminantes producto del tráfico. Al emplear un sistema automático de rociadores que no signifique mucha inversión inicial, se puede garantizar el buen funcionamiento de las superficies generadoras de energía y la captación y acumulación máxima de esta para el servicio.
En síntesis, ambas ideas se complementan, por una parte, la generación mediante un sistema que capte energía y la acumule da solución a los costes de funcionamiento de las luces para iluminar áreas comunes y si se pudiera energía para funcionamiento de ascensores y por otro lado, actúa como un sistema de recubrimiento y protección de las paredes del edificio, fácil de mantener y reparar.
La hipótesis subyacente en el desarrollo de los materiales que actuaran absorbiendo o reflejando la radiación solar, de manera tal que aparezca un gradiente térmico entre ellos suficiente para generar una diferencia de potencial eléctrico aprovechable, es la variación probabilística de la densidad de energía en un material a consecuencia de su activación a través de la radiación solar.
La complejidad de la naturaleza del fenómeno en estudio queda de manifiesto en lo significativo de la incertidumbre, valorada en la forma de un error de ajuste en cualquier modelo preestablecido. Por ello es entendible la gran importancia que puede adquirir el uso de modelación no lineal mediante inteligencia artificial.
Descripción solución
El objeto principal de este proyecto es estudiar la propiedad conductividad térmica en el seno de un material polimérico que tiene en su interior partículas metálicas dispersas, este composite con partículas metálicas de distintos tamaños, formas y densidad captura la energía solar de forma diferencial, ocasionando un diferencial térmico.
Controlando la conductividad térmica entre las zonas calientes (zonas con alta absorbancia solar) y las frías (zonas con alta reflectancia) se puede alcanzar el diferencial de temperaturas umbral a partir del cual, es factible generar una diferencia de potencial eléctrico utilizable tecnológicamente, porque supera las perdidas naturales asociadas a la generación misma. Simultáneamente, el objetivo de este trabajo es encontrar la relación critica entre ambos mecanismos, de tal forma de maximizar el rendimiento del proceso. Dentro de las partículas el calor se propaga rápidamente como un flujo de partículas térmicas, en tanto que en la matriz la propagación se realiza en forma de ondas.
La motivación es verificar experimentalmente la base probabilística de la conductividad térmica que viene a ser básicamente, un fenómeno de incertidumbre (las teorías actuales hablan más bien de fricción interna promovida por corpúsculos). Similarmente la literatura habla según la teoría clásica que si se alcanzase la resonancia el sistema se realimentaría con pérdidas mínimas, pero dadas las limitaciones naturales del material debemos contar con frecuencias altísimas y/o poros nanométricos.
Teóricamente de acuerdo con la hipótesis planteada en esta investigación, es posible construir un material con zonas de alta conductividad térmica que, aunque estén separadas por una matriz de baja conductividad, pueden transferir el calor cuando son activadas electromagnéticamente. Las relaciones espacio-tiempo del campo térmico y del campo eléctrico en los metales son distribuciones de probabilidad conjunta que controlan la transferencia de energía. En virtud de lo señalado se propone el uso de esta hipótesis en la construcción de un composite metal-polímero, activado por perturbaciones electromagnéticas, que se comporte con menores perdidas.
Esta investigación básicamente persigue elaborar distintos prototipos de composites, base polímero, con una dispersión de partículas metálicas. Estas partículas con propiedades de absorbancia o reflectancia altas trasmiten el calor de forma controlada, permitiendo la existencia de gradientes térmicos que sean superiores al umbral mínimo para la generación efectiva de energía eléctrica. Se ha planificado medir de alguna manera la relación Conductividad Térmica vs. Granulometría del material disperso, cuantificada por el tamaño, forma, densidad media y distribución de las partículas anexas.
Se propone como camino para la consecución del objetivo general, tres tareas principales consecutivas:
- Verificar empíricamente la naturaleza termodinámica de la conductividad térmica (interacciones estocásticas en el seno del conductor).
- Comprobar como activando electromagnéticamente la naturaleza metálica de las partículas, es posible la conducción del calor siempre y cuando exista una distancia ínter partículas menor a cierto valor limite.
- Verificar que el valor de la activación electromagnética es afectado positivamente por la naturaleza heterogénea del material, caso de conductores con partículas de distintos tamaños, formas y densidades.
Metodología
La hipótesis por probar en esta investigación es la existencia de una frecuencia del campo eléctrico ínter partículas o ínter contactos donde las relaciones espacio-tiempo obliga a la partícula portadora a comportarse como una onda de probabilidad perforando térmicamente el aislante sin que esto signifique su desnaturalización. Se propone entonces la construcción de probetas formadas por tres laminas, dos exteriores con incrustaciones de metal y una interior polimérica. Una de las láminas metálicas presenta alta absorbancia solar, en tanto que la otra alta reflectancia. Los pasos para lograr esta meta son:
- Construcción del material de la probeta: Sobre una matriz polimérica se electro deposita una fina película de metal en algunos puntos específicos del material. Se probará con distintas formas, densidades y profundidad del electro deposito.
- Construcción térmica: Los electrodos o partículas en las dos caras absorben energía solar de manera diferenciada en virtud de sus propiedades de absorbancia y reflectancia de la radiación solar.
- Mecanismo de Activación: Un generador de señales de voltaje conectado a los electrodos induce perturbaciones electromagnéticas dentro del material.
- Construcción del composite: Se ensayarán distintos tipos de materiales, con distintos tamaños, formas y distribuciones de partículas, así mismo se aplicará varios tratamientos superficiales al material para mejor sus propiedades de resistencia a la abrasión y corrosión.
Diseño experimental
Se basa en un arreglo multifactorial, de las variables distancia ínter contactos, forma, densidad, voltaje y frecuencia de la onda electromagnética aplicada. Cada factor se aplica en dos niveles, lo que da un total de 16 tratamientos.
Como se desconoce la distribución de probabilidades que caracteriza la naturaleza material de la zona inter-contactos (aislación térmica) está impedido el uso de técnicas clásicas (Distribución normal) para analizar la dispersión en los resultados. Es decir, el número de repeticiones a realizar en cada tratamiento y la derivación de estadígrafos desde las mismas debe realizarse con análisis no paramétrico. Entonces se requiere de muestras pilotos de tratamientos elegidos al azar, con un número mínimo de 10 repeticiones, en virtud de las cuales se determina la forma de la función distribución desde el histograma de frecuencias. En la Figura 1 se muestra un diagrama del sistema de control para la activación electromagnética de la conducción partícula- partícula a través de una matriz no conductora.
Principales resultados preliminares
Se puede hablar de una zona de interfase o tercer cuerpo heterogéneo de espesor infinitesimal, compuesta por una mezcla aleatoria de áreas conductoras y no conductoras térmicas, que se modifican de acuerdo con la longitud media de acercamiento. A menor longitud podría hablarse de mayor deformación y por ende cabría esperar una mayor área de juntura. Con ello la propiedad en estudio es el área de la zona de juntura metal-metal.
Si las superficies provienen de materiales no activados la impedancia obedece a una expresión de la forma Nº1. Análogamente si las superficies son de materiales activados la expresión es de la forma Nº 2.
En síntesis, el tamaño de las partículas influye decisivamente en el comportamiento térmico del material, lo cual está en concordancia con la hipotética existencia de dominios de probabilidad independientes ligados a una interfase partícula-partícula.
La conductividad en la zona de contacto está asociada a una energía de activación, que permite el salto de un portador desde una fase hasta la otra, Este salto energético sigue tal vez una ley semejante a la de Arrhenius, según puede suponerse de la forma exponencial de la conductividad (relajación de la conductividad).
Estos resultados parciales sugieren que la naturaleza geométrica del tercer cuerpo, zona comprendida entre las superficies de los electrodos, determina su comportamiento térmico y condiciona la existencia de áreas donde es posible la continuidad porque la distribución de probabilidad ligada a la conductividad así lo permite.
Referencias
- D. M. Rowe, Ed., Thermoelectrics handbook: macro to nano, 2006.
- Terry M. Tritt, Ed., Recent Trends in Thermoelectric Materials Research III,2001
- Valencia Asdrúbal “Los avances de la metalurgia física”, 2003
- Y. J. Dai, R. Z. Wang, y L. Ni, “Experimental investigation on a thermoelectric refrigerator driven by solar cells”, Renew. Energy, 2003
- Zamora, M. Termo I. Ed. Universidad de Sevilla, 1998