Diseño de un generador termoeléctrico de baja temperatura basado en Energy Harvesting

Abstract

This thesis describes the background , the design, construction and testing of a thermal micro energy harvester capable of supplying power to very low power commercial electronic devices from small temperature differences, generated from a solar collector. The characterization of Peltier modules as energy generators is proposed and demonstrated, and also are the design of a power converter for powering commercial devices and the use of supercapacitors as energy storage for feeding a very demandant load. The complete system was characterized, stablishing its efficiency and maximum generated power from different temperature gradients, and the results of testing with a thermal solar collector and an alternative to improve the heat flow for increasing the generated energy and efficiency trought adsorptive evaporative cooling. The original contribitions related to this work are as following: 1. The advantage of employing Peltier modules instead of commercial thermoelectric generators for low level temperatures gradients is proposed and demostrated. 2. The feasibility of powering a load without using batteries from thermal energy is demostrated 3. The most important parameters on selecting the most appropiate Peltier module for power generation from general parameters are stablished, even with scarce technical data, such as the materials employed on the internal construction of the module. Also, is demostrated that the suface area is not a determinant parameter for power generation on a Peltier module. 4. Higher generated energy levels were achieved for gradients under 10 °C than the state of the art results reported on references. 5. A cooling method from thermal solar and adsorptive evaporation cooling is proposed, that would provide both heat storage and night time operation, which is longer tnan de day time period.

En este trabajo se describen los antecedentes, el diseño, construcción y pruebas realizada a un recolector de micro energía térmica capaz de alimentar dispositivos electrónicos comerciales de muy bajo consumo a partir de gradientes de temperatura pequeños, generados por la captación de energía solar. Se propone y demuestra el empleo de módulos Peltier operando como generadores de energía, el diseño de un convertidor para generar niveles de voltaje adecuados para dispositivos comerciales y el uso de supercapacitores como almacén de energía, a partir de una carga muy exigente. Se caracterizó el sistema completo, estableciendo su eficiencia y potencia máxima generables a diferentes gradiente de temperatura, así como los resultados de pruebas con la construcción de un captador termo solar. Se propone y analiza una alternativa para mejorar el flujo de calor y elevar tanto la energía generada como la eficiencia a través del enfriamiento evaporativo por adsorción. Las aportaciones de esta investigación son las siguientes: 1. Se propone y demuestra la ventaja de utilizar módulos Peltier en lugar de generadores termoeléctricos comerciales para temperaturas y gradientes de bajo nivel. 2. Se demuestra que es posible alimentar una carga sin baterías a partir de energía térmica. 3. Se establecieron los parámetros más importantes en la selección de los módulos Peltier a partir de sus parámetros generales, sin necesidad de contar con datos como la construcción interna y materiales, de igual manera se demuestra que el área superficial del transductor no es determinante en la generación de energía. 4. Se logró generar mayor cantidad de energía que la reportada en las referencias encontradas para gradientes de temperatura menores a 10 °C. 5. Se propone un método de enfriamiento por evaporación impulsado por la propia energía térmica, que proporciona tanto almacenamiento de calor durante el día como operación nocturna, que es un periodo más largo que el diurno.