Para la elección de disipador se procedió a realizar pruebas experimentales con diferentes configuraciones de celdas de Peltier y varios disipadores, dichas pruebas se utilizan como base para ver la viabilidad y la configuración del sistema de condensado, en estas pruebas se remueve mecánicamente el agua depositada sobre la superficie de la celda Peltier mediante jeringa, midiendo así la cantidad de condensado.
5.1 Prototipo 1
En un principio se utilizó una celda de Peltier TEC 12706 junto a un disipador obtenido de una tarjeta madre, específicamente el disipador usado es el que está instalado en el puente norte o northbridge de dicha tarjeta, este se adaptó a un conducto de ventilación de un computador de tal forma que la celda tuviera disipación en la parte caliente usando convección forzada como se ve en la siguiente imagen.
Figura 10 Prototipo experimental 1 (Autores).
Luego de realizar el montaje se procedió a realizar pruebas de lazo abierto utilizando alimentación por una fuente de computador y registro de datos mediante sensores de temperatura y humedad, además de tomar datos de las variables eléctricas de corriente y voltaje consumido por la celda, dichos ensayos se realizaron durante 4 días en las horas de la tarde.
35
Día Voltaje Corriente Humedad Temperatura ambiente Tiempo de prueba ml agua 1 5v 580mA - 610mA 55%-52% 19.1°C - 15.3°C 1h 0.35 10.35v 1.64A - 1.69A- 1.71A -
1.73ª 52%-55% 19°C- 14.7°C-12.2°C- 7.4°C 1h 0.9 2 12V 1.95A - 1.85ª 52% 18.9°C - 16.3°C 1h 1 10.35v 1.62ª 52% 19°C 1h 0.8 3 11v 1.81A-1.8ª 57%- 55% 20.3°C 1h 0.5 11.8v 1.78A-1.76ª 56%-60% 17°C 1h 0.62 9.2V 1.52A- 60%-77% 17°C 1h 0.7 4 11V 1.74ª 59%-55% 16°C 1h 0.7 12.5V 1.96ª 55% 17°C 1h 0.5 12.5V 1.94ª 55%-52% 17°C 1h 0.6
Tabla 2 Datos recolectados del prototipo 1 (Autores).
De la tabla se aprecia que al haber una variación en la temperatura ambiente también hay variación de corriente esto debido a que los cambios de temperatura afectan el proceso de absorción de calor de la celda de Peltier y por ende necesita aumentar la corriente.
En General con una sola celda se logró alrededor de 0.7 ml/hora agua con condiciones de humedad promedio de 58% a 59% y temperatura ambiente de 18°C que permitieron generar escharcha a los 20 minutos hasta el tiempo final de la prueba.
Figura 11 Condensación en la superficie de la celda de Peltier (Autores).
Algunas veces se logró obtener 1ml/h agua pero en condiciones donde la temperatura era baja y permitía llegar al punto de fusión más rápido y por ende más recolección.
36
Figura 12 Escarcha en la superficie de la celda de Peltier (Autores). Mejoras del Prototipo 1
Inicialmente la celda estaba sujeta al disipador mediante dos amarres metálicos, sin embargo había la posibilidad de que se transmitiera calor por medio de estas partes metálicas, por ello se decidió cambiar el montaje diseñando un soporte en acrílico para sostener la celda y el disipador, el ajuste se hizo con tornillos y se dejó la mayor cantidad de área superficial descubierta para que el aire húmedo tocara la celda, el diseño en concreto se aprecia en la siguiente imagen.
Figura 13 Mejoras en el prototipo 1 (Autores).
A partir de esta modificación se utilizó una batería de carro y un regulador de carga para llegar a una corriente más alta de consumo para ña celda de Peltier así como ,en estas pruebas posteriores se utilizó crema disipadora colocada en medio de la cara caliente y el disipador , usando el sistema de alimentación ya mencionado el cual posee una batería de 650Amp se volvieron a realizar las pruebas sobre la misma celda permitiendo de esta forma que la celda se comportara de manera más eficiente con un consumo más acorde a la hoja técnica que da el fabricante con aproximadamente un consumo de 3.6 A con 12 Voltios .
37
Figura 14 Sistema de alimentación y celda de Peltier (Autores). Dicho montaje se puede observar en este esquema:
Figura 15 Esquema con Sistema de alimentación y celda de Peltier prototipo 1 (Autores). 5.2 Prototipo 2
Debido a que se quería recolectar una mayor cantidad de agua se decidió utilizar varias celdas de Peltier sin embargo esto implicaba utilizar otro disipador donde se pudieran colocar dichos TEC, por ello se logró conseguir en el mercado una especie de disipador de aluminio de un 1mx0.1m con dos líneas de aletas.
Inicialmente se colocaron 6 celdas del Peltier TEC12706 adheridas a la superficie del disipador por medio de pasta térmica como se ve en la siguiente imagen.
38
Figura 16 Prototipo experimental 2 (Autores).
Viendo las proporciones del disipador se notó la viabilidad de agregar más celdas con fines experimentales, sin embargo era muy incómodo acomodar las celdas en la superficie del disipador a pesar de que la pasta térmica les daba un buen agarre , se evidencio entonces que al encender las celdas estas se desprendían fácilmente del disipador debido a que la pasta térmica se volvía liquida , debido a este inconveniente se decidió realizar un acople que permitiera el buen contacto de los TEC con el disipador ,se diseñó entonces una superficie en acrílico con amarre de tornillo para realizar dicho ajuste con la posibilidad de colocar 12 celdas aprovechando las dimensiones del disipador. El esquema de conexión del prototipo 2 se aprecia en la siguiente imagen:
Figura 17 Esquema Prototipo experimental 2 (Autores).
Antes de colocar las celdas se realizaron pruebas de consumo en cada una de estas con el fin de organizarlas por grupos las cuales se aprecia en las siguientes tablas.
39
Numero de
celda Corriente Voltaje 1 2,71 A 12.45V 2 2,59 A 12.45V 3 2,73 A 12.45V 4 2,76 A 12.44V 5 2,7 A 12.43V 6 2,72 A 12.44V 7 2,63 A 12.44V 8 2,6 A 12.45V 9 2,75 A 12.43V 10 2,7 A 12.44V 11 2,52 A 12.45V 12 2,5 A 12.44V
Tabla 3 Pruebas de consumo de varias celdas (Autores). Numero de Grupo 1 2 3 4 5 6 Grupos c12,c9 c11,c3 c2,c6 c8,c1 c7,c10 c5,c4 Corriente 5,25 A 5,25 A 5,31 A 5,31 A 5,66 A 5,46 A
Tabla 4 Organización de grupos de celdas (Autores).
Luego de juntar los grupos, estos se colocan en el disipador con la mejor distribución de cableado, esto se aprecia en la siguiente imagen.
Figura 18 Acople de superficies Prototipo 2 (Autores).
Al iniciar las pruebas se tuvieron problemas para disipar el calor ya que la distancia entre celdas era muy pequeña por lo cual la distribución de calor en el disipador no era apropiada, por lo tanto se tuvo que reducir la cantidad de celdas en la prueba así mismo modificar la distribución de estas en el disipador, realizado esto se observaron mejores condiciones para el sistema debido a la mejora en la distribución de calor en el disipador , los resultados variaron dadas las condiciones de temperatura de la parte fría de la celda, es así que estas dejan de enfriar en cierto punto cuando el diferencial de temperatura entre caras es demasiado grande como lo especifica la hoja técnica , esto se evidencia en la siguiente imagen donde no hay un buen condensado.
40
Figura 19 Prueba de condensado prototipo 2 (Autores).
Se hicieron pruebas con 6 y 4 celdas, se observó que cuando hay 4 celdas se mantiene la temperatura baja y el consumo tiende a ser mayor se produjo una leve capa de escarcha en las 4 celdas con un consumo de corriente de alrededor de 14 A, estos resultado se muestran en la siguiente tabla.
Temperatura ambiente Humedad Relativa Punto roció Corriente ml
17 °C 59% 8°C 14,74 A 1
Tabla 5 Resultados generales prototipo 2 (Autores).
Debido a los resultados se decidió usar como máximo 6 celdas , además la poca resistencia Térmica ofrecida por el disipador comprobada mediante experimentación y los buenos resultados del prototipo 1 nos dieron razones para busca un disipador igual al del prototipo experimental 1 pero de mayor capacidad.
5.3 Prototipo 3
Se encontró en el mercado un disipador de grandes proporciones con medidas de 17.5 cm de Ancho, 24 cm largo y 7cm alto con 20 aletas de 5cm de alto con separación entre estas de 0.5cm, dicho disipador se muestra en la siguiente imagen junto con un arreglo de celdas.
41
El esquema de dicho montaje se muestra en la imagen:
Figura 21 Esquema del Prototipo 3 con 6 celdas (Autores).
Después de probar varios arreglos durante la experimentación de los prototipos anteriores se decidió dejar las celdas juntas para que de esta forma la superficie de condensado sea mayor así mismo estas se colocaron en el centro del disipador para que se distribuya mejor el calor producido por la cara caliente. Siguiendo la idea de querer un dispositivo como el del prototipo 1 pero con mayores proporciones también se agregó pasta térmica y se utilizaron ventiladores como método de disipación por convección forzada.
Una vez colocados los elementos de medición y alimentadas las celdas con el sistema fotovoltaico se obtuvieron los siguientes resultados.
Temperatura ambiente
Humedad Relativa
Punto de
roció Corriente Voltaje
Temperatura parte caliente
Temperatura
parte fría Tiempo 17 °C 59%-48% 8°C 20,4A 11.6 V 35.3°C 9.6°C 50 min
Tabla 6 Resultado pruebas experimentales prototipo 3 (Autores).
Se evidencio que bajo estas condiciones se produjo escarcha en alrededor de los 5 minutos de iniciar a alimentación como se muestra en la siguiente imagen.
42
Figura 22 Generación de escarcha en el prototipo 3 (Autores).
Antes de finalizar la prueba y desconectar la alimentación se logró una buena cantidad de escarcha cabe resaltar que el sistema está en lazo abierto y con temperaturas más bajas que el punto de roció, eso se evidencia a continuación.
Figura 23 Prototipo 3 antes de finalizar las pruebas (Autores).
De las pruebas realizadas sobre condensación, se observa que efectivamente, al realizar el enfriamiento de una superficie fría (cara fría de la celda Peltier), por debajo de la temperatura de punto de rocío, es posible obtener agua en forma líquida en este caso se obtuvieron 2cm cúbicos (ml) de agua.
Debido que el objetivo de este proyecto de investigación es lograr condensar la humedad del aire para generar agua, es gratificante saber que por medio de estas pruebas es posible generar agua aunque en cantidades pequeñas.
Los niveles de condensación obtenidos, son muy bajos, debido a que el sistema de la celda Peltier es un sistema de reducidas dimensiones, el cual tiene utilidad únicamente para pruebas .Es muy posible que a corto plazo las celdas de Peltier mejoren sus características de linealidad en su respuesta de temperatura y los semiconductores mejoren su rendimiento y calidad.
43
5.4 Rendimiento de los Prototipos
Después de realizar las pruebas experimentales con cada prototipo se realiza la siguiente tabla de comparación de rendimiento, cabe resaltar que cada prototipo se probó con un disipador de calor diferente en cada caso pero con el mismo tiempo de ejecución, en este caso de una hora:
PROTO TIPO VOL TAJE CORRI ENTE HUME DAD TEMPERAT URA AMBIENTE TEMPERA TURA FRIA TEMPERATURA CALIENTE AGUA OBTENID A NUMERO DE CELDAS 1 12,5 V 1,94 A 55% 17°C- 19°C 13°C 30°C 0,6 ml 1 2 12,5 V 14,74 A 59% 17°C- 20,3°C 11°C 32°C 1 ml 4 3 11,6 V 20,4 A 48%- 59% 17°C- 19°C 9,6°C 35,3°C 2 ml 6
Tabla 7 Comparación de rendimiento de los prototipos experimentales (Autores)
Cabe mencionar que la recolección del agua se realizó removiendo mecánicamente el agua utilizando una jeringa de 5cm, por lo tanto esta medida tomando la mayor cantidad de gotas posibles antes que se evaporen.
En base a la superficie de estos disipadores se estableció la cantidad de celdas a utilizar, con el disipador de CPU se puede colocar una sola celda mientras que los demás disipadores elegidos para las pruebas pueden usar un máximo de 6 celdas por cuestiones de disipación y ubicación de estas, y sabiendo la cantidad de celdas se puede considerar entonces la elección de la batería a partir del consumo de estas , es así que a continuación se muestra los cálculos del sistema de alimentación en base a esto.
6
Desarrollo del Proyecto
6.1 Sistema de Alimentación 6.1.1 Panel Solar.
Los paneles fotovoltaicos es un dispositivo que aprovecha la energía de la radiación solar para generar electricidad. Los paneles fotovoltaicos están formados por numerosas celdas que convierten la luz en energía eléctrica, dichas celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas, del griego "fotos", luz [7].
Estas celdas dependen del efecto fotovoltaico donde la energía lumínica produce cargas positiva y negativa en dos semiconductores próximos de diferente tipo, produciendo así un campo eléctrico capaz de generar una corriente, usualmente son diseñados para poder formar una estructura modular, es decir para poder conectar varias unidades en un sistema, por lo tanto se puede combinar en conexiones serie, paralelo o mixta [7][27].
44
Figura 24 Paneles solares [28]
Se encuentran en distintos tipos de presentación entre los más comunes son los paneles mono cristalinos y poli cristalinos con uniones en serie de sus células que rondan los 12 -18 voltios para uniones de 36 células, y los 24- 34 células voltios para uniones de 72 células, las tensiones más habituales de trabajo son 12 V, 24 V y 48 V, hay aplicaciones que necesitan diferente tensión sin embargo están son las más comunes en las instalaciones aisladas de la red como el caso de este proyecto [7][27].
Para este proyecto se utiliza un panel solar poli cristalino de 100W de la marca Procet Scientific con el cual se disponía en ese momento, con las siguientes características:
Potencia Máxima (W) 100,38 Tolerancia (%)
± 3% Tensión de circuito abierto (VOC) 22,02 Tensión de alimentación máxima (Vmp) 17,36 Corriente Máxima de Potencia (Imp) 5,69 Corriente de Cortocircuito (ISC) 6,29 Eficiencia del módulo (%) 14,7 Eficiencia de la célula solar (%) 17,1 Rango de fusible en serie (A) 10
Caja terminal IP65
Tensión Máxima del sistema (V) DC 1000 Temperatura de funcionamiento (°C) Dimensiones (Cms) 67x101,6
Tabla 8 Características técnicas panel solar [28] -40°C a 85°C
45
6.1.2 Regulador de Carga.
Es el enlace de unión entre el panel solar y el elemento de consumo eléctrico se utiliza para proteger el panel y los acumuladores (Batería) de una sobrecarga, mediante este dispositivo se configura la entrada de tensión del panel así como la salida de tensión continua para la instalación (carga)[27].
6.1.3 Selección de Regulador de energía.
Para la selección de un regulador de energía hay que tener en cuenta varios aspectos, ya que el regulador es quien controla las condiciones de carga y sobre descarga de la batería con el fin de alargar su vida útil y asegurar el suministro eléctrico de manera correcta para evitar la descarga excesiva de la batería. Hay dos tipos de reguladores de carga solar el PWM y MPPT, aunque los reguladores MPPT presentan una mejor eficiencia por cuestiones de costos se decidió usar un regulador de carga basado en PWM [7][27].
Para la elección del regulador se debe tener en cuenta tres factores indispensables para el buen funcionamiento del sistema:
La tensión que van a tener las baterías, la intensidad a la salida de la conexión de los paneles solares y la intensidad máxima de consumo en otras palabras la corriente que va a utilizar cualquier aparato electrónico con corriente continua a conectar en el sistema.
El primer parámetro es saber que tensión que se va a manejar en el sistema en otras palabras que tensión va a manejar la batería, este valor debió haber sido seleccionado previamente, y en esta ocasión el sistema va manejar un tensión de 12V, para el arreglo de celdas se tiene una tensión de 12 V, sabiendo esto se debe poner el regulador de 12 V o en su defecto un regulador automático de 12V/24V para que la batería no vaya a tener sobrecargas [7][27].
El segundo criterio que se debe tener en cuenta a la hora de seleccionar el regulador es la intensidad de entrada al regulador, en otras palabras la intensidad en la salida de la conexión del panel solar, sin embargo por seguridad se usa la corriente de cortocircuito para el cálculo del regulador por que será la máxima corriente que podría ser generada por el panel solar y ha de ser esta la que se deba tener en cuenta para evitar pérdidas de rendimiento, según la literatura y para evitar posibles daños en el regulador se elige utilizar un factor de seguridad del 1.15 el cual contempla las posibles variaciones de la irradiación solar y de la temperatura de las celdas fotovoltaicas con respecto a las condiciones estándar de medida [7].
Dicho criterio se calcula con la siguiente ecuación:
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑅𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 𝐼𝑠𝑐𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙 ∗ 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 𝐸𝑐. 19 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑅𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 1.15 ∗ 6.29 ∗ 1 = 7.2335 𝐴 𝐸𝑐. 22
El tercer criterio que se debe tener en cuenta a la hora de escoger un regulador de carga, es la intensidad a la salida del regulador en otra palabras es la corriente que el usuario va utilizar en los
46
diferentes equipos, en este caso estimando un consumo de 204W y teniendo en cuenta que las celdas de Peltier funcionaran a 12V y 2 A aproximadamente sin ir al máximo rango de funcionamiento, y asumiendo que se usa un máximo de 6 celdas por ubicación en el disipador , se obtiene un consumo aproximado de 144W para las celdas de Peltier , luego estimando un valor 60W de más para la electrónica en general nos da 204W, ahora sabiendo esto para el cálculo de la corriente de salida del regulador se utiliza la siguiente expresión.
𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑅𝑒𝑔𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 1.15 ∗204𝑊
12𝑉 = 19.55 𝐴 𝐸𝑐. 23
En base a estos datos se eligió el regulador de carga LD2430S del fabricante LDSOLAR que se muestra en la siguiente imagen.
Figura 25 Regulador de carga solar LD2430S Las características técnicas de este regulador se muestran en la siguiente tabla.
Voltaje del sistema 12V/24V Tensión de entrada máxima del panel solar 55 V
Autoconsumo <12mA
Corriente máxima de carga 30 A Corriente máxima de descarga 30 A
LVD 11,0 V ADJ 9 V…12V
LVR 12,6 V ADJ 11 V… 13,5 V
Voltaje de punto flotante 13,8 V ADJ 13 V … 15V Protección contra sobrecarga de la batería 16,5 V
Protección de conexión inversa SI
Protección de sobre carga de corriente SI , cada dos minutos una vez que se reinicia
Tipo de carga PWM
Compensación de temperatura -24mV/°C para 12V Temperatura de trabajo -20°C a 55°C Escala de terminal 14 - 6 AWG Grado de impermeabilidad IP32
Tamaño 190mmx108mmx41,5mm
47
Tabla 9 Características técnicas regulador de carga
Como se puede observar el resultado del cálculo de la corriente de entrada del regulador es inferior al de la ficha técnica del regulador que se escogió, garantizando que el regulador va trabajar sin ningún problema, también se puede observar que para el regulador elegido se puede seleccionar dos tensiones de 12 V y de 24 V.
El resultado de la corriente de salida del regulador es inferior al escogido, sabiendo eso con estos tres criterios se garantiza el buen funcionamiento del regulador, adicionalmente este regulador permite configurar el rango de encendido y apagado de la carga cuando está conectado el panel solar además de visualizar en su pantalla la corriente consumida por la carga ,con este último dato y utilizando el voltaje de la batería se puede obtener el consumo de los elementos que estén conectados a la salida del regulador.
6.1.4 Batería.
Brinda energía en los momentos donde la luminosidad no es suficiente, acumula energía para la instalación y solo está presente en instalaciones autónomas.
Para la selección de las baterías se debe contemplar que la llegada de energía solar a los paneles solares no se da de manera uniforme por diferentes circunstancias , entre las cuales están las variaciones ambientales tales como el aumento de nubosidad, dicha variación afecta directamente el sistema ya que los paneles fotovoltaicos recogen energía directamente de sol, en el momento en el que aparezca esta variable el rendimiento del sistema fotovoltaico será afectado provocando que los aparatos electrónicos dejen de funcionar por falta de energía[27].
Para que este hecho no se presente, es necesario un sistema de almacenamiento que alimente de energía a los aparatos electrónicos cuando la radiación solar recibida por los paneles solares no sea suficiente, para esto se utilizaran las baterías o acumuladores de energía.
La tensión que se va a utilizar en la batería es de 12V, esta elección fue tomada al momento de dimensionar todo el sistema fotovoltaico, es importante mencionar la importancia de esta elección al momento de dimensionar el sistema ya que los paneles solares que serán instalados deben tener una tensión de trabajo mayor a la que va utilizar las baterías, para que el proceso de carga y los reguladores trabajen en su punto de mayor eficiencia.
En el cálculo que se realiza para la batería se debe tener en cuenta el parámetro de la cantidad de energía que puede dar la batería en una descarga total partiendo de un estado de carga total, el cual se mide en Amperios hora (Ah) [27].
48
6.1.5 Cálculos batería
Para selección la batería se debe conocer la capacidad que necesita para suplir el sistema en caso de