Caracterización de un sistema de generación termoeléctrico acoplado a un sistema térmico para la obtención de energía eléctrica en comunidades rurales

RESUMEN Una de las principales fuentes de energía en México es la leña, la cual es consumida por aproximadamente 28 millones de personas, principalmente por familias que viven en zonas rurales. La leña se usa esencialmente como combustible para la cocción de alimentos, calentamiento de agua, como calefacción y como forma de iluminación. (Masera, y otros, 2011, pág. 12). En el año 2003 inicia en nuestro país el proyecto Patsari (estufa ahorradora de leña) que gracias al rediseño Guatemalteco de la estufa LORENA (hecha de lodo y arena) y a grupos multidisciplinarios comprometidos con estos sectores de la población, han desarrollado mejoras a la estufa LORENA incrementando su eficiencia, seguridad, durabilidad y sobre todo mejoras a la salud debido a la integración de un chacuaco (escape, chimenea) para la canalización de las emisiones de los gases de la combustión hacia el exterior de la vivienda, reduciendo 8 veces menos de humo El objetivo de este proyecto es la implementación de un arreglo de dispositivos electrónicos para crear un sistema de generación termoeléctrico sustentable, mediante el aprovechamiento del calor residual generado por el desfogue de los gases de combustión y el calentamiento del tubo de escape, con el cual se obtendrá un gradiente de temperatura térmico entre el tubo de escape y el medio ambiente, el sistema convierte esta esta diferencia de temperaturas en energía eléctrica, la cual será aplicada como iluminación dentro de las viviendas. Para llevar a cabo la conversión de la energía térmica en eléctrica se utilizaron módulos de generación termoeléctricos (TEGs) comerciales; los cuales funcionan con el efecto Seebeck que transforman la diferencia de temperatura en un diferencial de voltaje. Los TEGs se compone de dos disipadores de igual ii tamaño, uno para la cara caliente (temperatura del escape) y otro para la cara frio (temperatura ambiente). Para garantizar la conductividad térmica se usó pasta térmica semiconductora, como aislante térmico se usó papel refractario cerámico colocado alrededor del módulo TEG; para ayudar a disipar la temperatura del lado frio se usó un recipiente con agua a temperatura ambiente para mantener el diferencial de temperatura. La elección del módulo comercial Seebeck fue debido a las temperaturas obtenidas en el escape a una altura de 50 cm para su fácil manipulación. Los TEGs comerciales cuentan con datos de funcionamiento para conocer el voltaje que se produce con respecto al diferencial de temperatura. Para la evaluación del desempeño energético y caracterización del dispositivo se construyó una estufa ahorradora de leña tipo Patsari; para la adquisición y monitoreo de la capacidad térmica y eléctrica se utilizó como interfaz un módulo Arduino y un adquisidor de datos con sensores para la medición de temperatura en el tubo de escape y en ambas caras de los TEGs; así como también para la medición del voltaje generado. Los resultados obtenidos dan una opción viable para el aprovechamiento del calor residual producido por el calentamiento del tubo de escape para generar energía eléctrica utilizable dentro de la vivienda con posibilidad de almacenamiento. Adicionalmente, para robustecer el diseño de esta mejora, se propone almacenar esta energía para que pueda ser utilizada en momentos en que la estufa se encuentre apagada, de esta manera se estaría contribuyendo en la eficiencia de este tipo de estufas ahorradoras de leña tipo Patsari, la cual se verá reflejada en una mejor calidad de vida dentro de las comunidades; así como también en el desarrollo de la comunidad.

ABSTRACT One of the main sources of energy in Mexico is firewood, which is consumed by approximately 28 million people, mainly by families living in rural areas. Firewood is easily used as fuel for cooking food, water heating, as heating and as a form of lighting (Masera, y otros, 2011, pág. 12). In 2003, the Patsari project (wood-saving stove) started in our country, which thanks to the Guatemalan redesign of the LORENA stove (made of mud and sand) and multidisciplinary groups committed to these sectors of the population, have developed improvements to the stove LORENA increasing its efficiency, safety, durability and above all health improvements due to the integration of a chacuaco (exhaust, chimney) for the channeling of flue gas emissions to the exterior of the house, reducing 8 times less of smoke. The objective of this project is the implementation of an arrangement of electronic devices to create a sustainable thermoelectric generation system, by taking advantage of the residual heat generated by the flue gas venting and the heating of the exhaust pipe, with which You will get a thermal temperature gradient between the exhaust pipe and the environment, the system converts this temperature difference into electrical energy, which will be applied as lighting inside the homes. iv To carry out the conversion of thermal energy into electricity, commercial thermoelectric generation modules (TEGs) were used; which work with the Seebeck effect that transform the temperature difference into a voltage differential. The TEGs are composed of two heatsinks of equal size, one for the hot face (exhaust temperature) and the other for the cold face (ambient temperature). To ensure thermal conductivity, semiconductor thermal paste was used, as thermal insulation ceramic refractory paper placed around the TEG module was used; To help dissipate the cold side temperature, a vessel with room temperature water was used to maintain the temperature differential. The choice of the Seebeck commercial module was due to the temperatures obtained in the exhaust at a height of 50 cm for easy handling. Commercial TEGs have operating data to know the voltage that is produced with respect to the temperature differential. For the evaluation of the energy performance and characterization of the device, a wood-burning stove Patsari type was built; for the acquisition and monitoring of thermal and electrical capacity, an Arduino module and a data acquisition system with sensors for temperature measurement in the exhaust pipe and on both sides of the TEGs were used; as well as for measuring the generated voltaje. v The results obtained give a viable option for the use of residual heat produced by heating the exhaust pipe to generate usable electrical energy inside the house with the possibility of storage. Additionally, in order to strengthen the design of this improvement, it is proposed to store this energy so that it can be used at a time when the stove is off, thus contributing to the efficiency of this type of wood-saving Patsari-type stoves, which will be reflected in a better quality of life within the communities; as well as in the development of the community.