CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN.

Esta Invención se refiere a un Sistema de Cosecha de Energía eléctrica renovable, mediante el uso de materiales semiconductores con propiedades termoeléctricas, transformada a partir del calor acumulado en la masa de los materiales constructivos tradicionales de las superficies de envolventes de edificios y pavimentos urbanos expuestos a la radiación difusa y directa del Sol.

OBJETIVO DE LA INVENCIÓN.

El objeto de esta invención es el de producir energía eléctrica renovable, útil para obras arquitectónicas y urbanas, transformando directamente la energía calórica acumulada diariamente en los materiales constitutivos de las superficies externas de las edificaciones y los pavimentos de la Ciudad, ocasionada por la exposición cotidiana a la radicación directa o indirecta del Sol.

ANTECEDENTES.

El efecto termoeléctrico que se presenta en ciertos materiales semiconductores, permite desarrollar hoy para la arquitectura aplicaciones termoeléctricas solares funcionales y operativas, ofreciendo la posibilidad de aplicaciones de refrigeración/calefacción termoeléctrica en la arquitectura, así como la generación y la cosecha de energía eléctrica en envolventes de edificios y pavimentos de ciudades. Un material termoeléctrico puede generar electricidad a partir de un diferencial de temperaturas existente entre dos puntos de referencia térmica (Efecto Seebeck), o generar simultáneamente absorción y emisión de calor al aplicarle una carga eléctrica importante y externa (Efecto Peltier).

Los materiales termoeléctricos comercializados hoy, que son operables y viables a pequeña escala, utilizan en su diseño el principio físico del termopar, el cual ha sido profusamente desarrollado en los últimos años para realizar tareas de enfriamiento eficiente en componentes electrónicos de las industrias informática y de fotografía digital. Los termopares más conocidos son las módulos de efecto peltier ¹ (o TEG: Thermolectric Energy Generators) que mantienen estable la temperatura en displays de cámaras fotográficas digitales planas como en procesadores informáticos de computadoras portátiles miniaturizadas. En su interior, los termopares son repetidos, organizados y conectados eléctricamente en serie, o en paralelo, para aumentar la superficie de trabajo útil del material semiconductor ² , con el que están construidos y diseñados y lograr efectivo enfriamiento.

Si bien permanecen desestimados actualmente como viables, por políticas y planes de desarrollo de organismos internacionales (e.g. Unión Europea), por considerarse que producen muy poco voltaje en condiciones ambientales, la generación termoeléctrica se ha convertido en una fuente confiable para la potencia continua que alimenta el funcionamiento de pequeños sensores

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Las placas de efecto Peltier en un principio fueron usadas como artilugios extraordinarios de entretenimiento que se vendían por correo a público selecto a través de revistas de electrónica ditribuidas en kioskos (hace treinta años). Con la aparición y profusión de las computadoras Laptop y la Fotografía Digital, éstas placas tuvieron un auge comercial, que provocó un desarrollo tecnológico ofreciendo una evidente mejora y variedad. Ahora se aplican como sistema de enfriamiento eficiente de los procesadores y displays, al mismo tiempo que se venden en bases para mantener caliente una tasa de café o enfriar latas de bebidas refrescantes.

² El dopamiento permite convertir al sílice común en un eficiente material cerámico semiconductor de la electricidad, y que se ha utilizado con éxito en la fabricación de transistores y microcircuitos de estado sólido desde 1947. científicos colocados en sitios inaccesibles ³ . Termopares miniatura han sido desarrollados que convertir en electricidad el calor del cuerpo humano y generar 40μνν a 3V con un gradiente, o diferencial de temperatura de 5 grados, mientras que en el otro extremo de la escala, grandes termopares se usan en las baterías de RTG ⁴ nucleares para alimentar las funciones de Sondas Espaciales que viajan en el Espacio Interestelar Profundo. Se muestra la siguiente literatura al respecto:

VÁZQUEZ, Jorge et al. (Ponencia), State of the Art of Thermoelectric Generators based on Heat Recovered from the Exhaust Gases of Automobiles, Universidad Pontificia Comillas, Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Instituto de Investigación Tecnológica, Departamento de Fluidos y Calor, Madrid España, 2002. BASEL, I. Ismail; WAEL, H. Ahmed (Ponencia), Thermoelectric Power Generation Using Waste-Heat Energy as an Alternative Green Technology, Informe "Recent Patents on Eléctrical Engineering 2009", 2, 27, 39, Bentham Science Publishers, LTD., Canadá, 2009. TUMINI, Irina (Ponencia), Estrategias para reducción del efecto de isla de calor en los espacios urbanos. Estudio aplicado al caso de Madrid, Sustainable Building Conference (SB1 Ornad), GBC -España, Madrid 2005.

EREC, European Renewable Energy Council [2010] REthinking 2050, A 100% Renewable Energy Vision for European Union. EREC 1ra edición. Brussels BE, pp. 76.

³ cfr. Vázquez, Jorge et al., 2002.

⁴ Por sus siglas, RTG: Radioisotope Thermoelectric Generator es un generador eléctrico que obtiene su energía de la desintegración radiactiva. En tal dispositivo, el calor liberado por la descomposición de un material radiactivo adecuado se convierte en electricidad mediante el efecto Seebeck utilizando una matriz de termopares. GEVORKIAN, Peter [2010] Alternative Energy Systems in Building Design. Mc Graw-Hill's GreenSource Series ra edición. USA, pp. 545.

GEVORKIAN, Peter [2008] Solar Power in Building Design. Mc Graw-Hill's GreenSource Series 1ra edición. USA, pp. 506.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER.

Hasta el momento, no ha existido una tecnología capaz de producir potencia eléctrica útil para el consumo en los edificios a partir del Espectro Infrarrojo del Sol. Analizando la energía solar diaria que recibimos a través de la atmósfera terrestre, ubicamos tres espectros principales de luz que nos proporciona. El 10.13% del Espectro de Radiación Solar Total lo ocupa la Radiación Ultravioleta (UV). El espectro de Luz Visible (LV) representa un 37.07% de toda la energía proveniente del Sol. Mientras que la radiación infrarroja (IR) es la más importante del Espectro de Radiación Solar, al significar el 52.80% del mismo. Para aprovechar la energía proveniente del Sol y transformarla en electricidad, en lo concerniente al espectro de Luz Visible (LV) existe la tecnología de materiales semicondutores con propiedades fotovoltáicas.

Ampliamente difundidas, pero no suficientemente desarrolladas en esta primera década del Siglo XXI, las fotoceldas solares aparecen como la más factible de las tecnologías para el aprovechamiento de la energía que proviene del Sol. Sin ambargo, los materiales con propiedades fotovoltáicas solo operan dentro del espectro de Luz Visible (LV), perdiendo efectividad y disminuyendo su rendimiento cuando su superficie se empieza a calentar por el contacto y acción de la radiación infrarroja (IR) del Sol. Considerando que sólo 37.07% del espectro solar puede cosecharse con materiales semiconductores fotovoltáicos, queda descartado a futuro apoyarnos totalmente en esta tecnología si deseamos aprovechar la totalidad de la energía contenida en el Espectro de Radiación Solar que nos proporciona diariamente el Sol. Sólo los materiales termoeléctricos operando en el modo Seebeck tienen la capacidad de aprovechar el Espectro Infrarrojo del Sol generando energía a la escala adecuada para los Edificios y la Ciudad, tal como lo hace la aplicación que se patenta.

Por otro lado, debido a su capacidad para almacenar calor a altas temperaturas y tiempo prolongado, las superficies urbanas y las envolventes de edificios actúan hoy como un depósito gigante de la energía térmica solar aún por explotar. Colateralmente causando impactos ambientales severos y críticos como lo es el conocido Efecto de Isla de Calor Urbano en las ciudades más pobladas, si cada metro cuadrado de construcción pudiera cosechar esta energía acumulada y gratuita, transformándola directamente en energía eléctrica, en la forma de un eficiente colector de calor solar, transmitiendo la energía a termopares semiconductores diseñados de forma especial y única, toda la arquitectura del futuro sería autosuficiente por ser autoalimentada por el Sol. Esta energía proviene del espectro de radiación infrarroja del Sol, que nos suministra diriamente, y que aún nadie aprovecha. Por lo mismo, en el aspecto ambiental, atacando la causa y no los efectos, se puede mitigar el sobrecalentamiento generado por el conocido Efecto de Isla de Calor Urbano transformando, por lo tanto disipando, parte de esta energía acumulada al generar potencia eléctrica útil y limpia usando las aplicaciones arquitectónicas y urbanas termoeléctricas solares comprendidas en esta patente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.

Sistema de Cosecha de Energía Renovable que aprovecha el espectro infrarrojo del Sol, irradiado diariamente de forma directa o difusa, que se encuentra almacenado en forma de calor en la masa de los materiales que constituyen todas las superficies arquitectónicas de las envolventes de edificios (cubiertas y paramentos externos) y los pavimentos urbanos, mediante el control del Efecto Seebeck de ciertos materiales semiconductores. En el Sistema de Cosecha de Energía, los materiales que pueden ser utilizados como colectores y baterias térmicas en las superficies arquitectónicas para captar este calor solar acumulado diariamente y transformarlo en electricidad son el Concreto Hidráulico, el Concreto Asfáltico, el Acero, el Aluminio, el Cobre, el Acrílico Laminado y el Policarbonato Laminado.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS.

Fig. 1. Módulo del Componente del Colector Cosechador de Energía colocado en Envolventes y Pavimentos.

Fig. 2. Matriz de Módulos Componentes del Cosechador de Energía Solar Infrarroja colocados en Envolventes y Pavimentos, conectados en Serie y/o Paralelo para producir potencia eléctrica útil. Fig. 3. Ubicación óptima en la aplicación arquitectónica y urbana del Cosechador de Energía Solar, por Módulos, colocado en envolventes y pavimentos arquitectónicos y urbanos.

Fig. 4. Sistema Completo para la Cosecha de Energía Eléctrica Acumulada en Forma de Calor en las Superficies de Envolventes de Edificios y Pavimentos Urbanos Expuestos a la Radiación Infrarroja del Sol.

Fig. 5. Gráfica de la Caracterización de la F.E.M. generada durante una prueba de 24 horas de sometimiento a la radiación solar directa. Fig. 6. Tabla de Valores para generar la Gráfica (31) de Tensión realizados durante la Prueba de 24 horas de la Fuerza Electromotriz (f.e.m.) del Prototipo Termoeléctrico Analizado.

Componentes Generales señalados en las Figuras:

1. Masa del Material de Construcción Colector de Energía Infrarroja en Contacto Directo con el Sol.

2. Primera Barrera Adiabática (1). Presente en juntas constructivas.

3. Masa del Material usado como Foco de Transmisión Térmica. 4. Masa del Material que opera como Transmisor Focal Diatérmico y Primer Difusor de Calor.

5. Anillo de Segunda Barrera Adiabática (2).

6. Masa del Material usado como Tierra Térmica y Difusor Final.

7. Paño Externo o Acabado de la Superficie del Material Expuesto al Sol. Superficie del Material constitutivo tradicional cuya masa es expuesta a la radiación infrarroja Solar.

8. Primera Frontera Diatérmica (1 ).

9. Segunda Frontera Diatérmica (2).

10. Módulo Termoeléctrico fabricado con Materiales Semiconductores. 11. Tercera Frontera Diatérmica (3).

12. Superficie del Material usado como Tierra Térmica en contacto con Compuestos Ambientales (líquidos o sólidos) o Terrestres.

13. Energía Infrarroja del Sol irradiada diariamente.

14. Salida de cableado eléctrico con la energía eléctrica en forma de corriente continúa.

15. Matriz de acomodo de componentes colectores organizados para aumentar la tensión eléctrica mediante la conexión eléctrica en paralelo o en serie. 6. Módulo del Componente Cosechador de Energía Infrarroja del Sol colocado en Envolventes y Pavimentos. Diferencial de Tensión Eléctrica Producida por la Transformación del Calor acumulado en la masa de los materiales constructivos de las envolventes arquitectónicas y los pavimentos urbanos. La corriente producida tiene cambio de polaridad en el día y es continúa (DC).

17. Eje focal del módulo de cosecha de energía infrarrojo solar.

18. Subcircuitos de control, almacemamiento, regulación e inversor del Sistema Termoeléctrico Solar.

19. Salida de Energía Eléctrica Regulada, para consumo en Edificios.

20. Matriz de Módulos de Colectores Cosechadores de Energía Infrarroja del Sol, colocados en la techumbre, cubierta o envolvente horizontal del una vivienda. 21. Matriz de Módulos de Colectores Cosechadores de Energía Infrarroja del Sol, colocados en los muros, paramento exterior o envolvente vertical del una vivienda.

22. Matriz de Módulos de Colectores Cosechadores de Energía Infrarroja del Sol, colocados en los pisos, patios exteriores o pavimentos de una vivienda o ciudad.

24. Estructura sin recubrimiento de cualquier Edificio.

25. Sistema para la Cosecha de Energía Eléctrica Acumulada en Forma de Calor en las Superficies de Envolventes de Edificios y Pavimentos Urbanos Expuestos a la Radiación Infrarroja del Sol.

26. Circuito Electrónico para la osecha de Energía. Cosecha los impulsos intermitentes y con cambio de polaridad de electricidad transformada a partir del calor almacenado en la masa del Módulo Componente del Colector para acumularlos en un Dispositivo de Almacenamiento.

27. Dispositivo de Almacenamiento de la Carga Eléctrica Generada. Con dos modalidades a usar en función del destino: El dispositivo, o está

construido con baterías químicas, o con supercapacitores electrónicos de alto voltaje.

28. Dispositivo de Control y Verificación de energía generada y disponible. Confirma por Telemetría inalámbrica, la energía disponible y genrada para su admisnitración y consumo de forma transparente e ininterrumpida. Es alimentada por la misma energía renovable que se cosechó del infrarrojo del Sol.

29. Dispositivo Administrador de Energía / Regulador de la Fuente Eléctrica. Configurando para suministrar en la tensión eléctrica acumulada de acuerdo a las necesidades de consumo del edificio o área urbana. Puede o no contener un Inversor de Corriente.

30. Consumo en Edificios Arquitectónicos y/o Espacios Urbanos,

31. f.e.m. Prueba de la Fuerza Electromotriz del Prototipo Termoeléctrico Analizado: Caracterización de la Diferencia de Potencial en Función del Diferencial de Temperatura en 24 horas. 32. Tabla de Valores para generar la Gráfica (31 ) de Tensión realizados durante la Prueba de 24 horas de la Fuerza Electromotriz (f.e.m.) del Prototipo Termoeléctrico Analizado.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN.

Para resolver el problema de la generación de energía eléctrica renovable a partir de la cosecha de energía presente y almacenada diariamente en forma de calor en la masa de todos los materiales existentes en las superficies expuestas a la intemperie, de las envolventes de edificios y pavimentos urbanos, producto de la radiación infrarroja directa y difusa proveniente del Sol, y que constituye actualmente una mina de energía ilimitada y nunca antes explotada, fenómeno acompañado con efectos ambientales colaterales críticos como lo es el mencionado Efecto de Isla de Calor Urbano, se ha desarrollado un dispositivo para cosechar esta energía, el cual funciona mediante la exposición directa al Sol de una superficie construida en muros, cubiertas (envolventes) o pavimentos, construida (Fig. 3) a partir de materiales tradicionales (Concreto Hidráulico, Concreto Asfáltico, Acero, Aluminio, Cobre, Policarbonato Laminado o Acrílico Laminado), actuando como Colector y Acumulador de la Energía Térmica producida. Esta energía es transformada mediante un diseño de componentes en el que interviene la ciencia y la ingeniería de materiales, para enfocar y acelerar axial y perpendicularmente la transferencia de calor a través de un módulo electrónico semiconductor termoeléctrico que puede producir electricidad mediante el manejo de su propiedad Seebeck.

Él Colector (Fig. 1 ) produce la tensión eléctrica útil en proporción a un diferencial de temperatura existente entre la cara externa del material de envolvente y la temperatura que posee el material final que es utilizado como una Tierra Térmica. A mayor diferencial de temperatura, mayor velocidad de transferencia de calor a través de los materiales constitutivos. A mayor velocidad de transferencia de calor entre estos componentes, mayor es la tensión eléctrica generada. Una vez generada la energía eléctrica renovable cosechada del Sol, es dirigida, controlada y almacenada por un circuito electrónico de cosecha de energía en un dispositivo de almacenamiento constituido en función de su uso y destino, o por baterías químicas, o por super capacitores de alto voltaje. Estos finalmente proporcionan su energía regulada por un circuito electrónico que puede o no transformar la señal de corriente directa (DC) en corriente alterna (AC), con un sub circuito electrónico de inversión y alternación de señal (Fig.4).

COMO SE ENSAMBLA EL MECANISMO.

La Energía Infrarroja del Sol irradiada diariamente en la Masa del Material de Construcción Colector de Energía Infrarroja en Contacto Directo con el Sol. El Sol ilumina solamente el Paño Externo o Acabado de la Superficie del Material Expuesto al Sol (Ver Fig. 1 ).

Éste se encuentra aislado por una Primera Barrera Adiabática que en conjunto con la Masa del Material usado como Foco de Transmisión Térmica, enfocan la energía calórica que debe pasar através de una Primera Frontera Diatérmica al Módulo Termoeléctrico fabricado con Semiconductores.

El Módulo transmite la energía transformada en electricidad mediante una Salida de cableado eléctrico con la energía eléctrica en forma de corriente continúa hacia los equipos electrónicos de control, cosecha, acumulación y distribución (Fig. 4). El Módulo se encuentra conectado con el Masa del Material que opera como Transmisor Focal Diatérmico y Primer Difusor de Calor, mediante una Segunda Frontera Diatérmica.

Todo este componente debe estar rodeado de un Anillo de Segunda Barrera Adiabática para conducir adecuadamente el calor a la Masa del Material usado como Tierra Térmica y Difusor Final mediante una Tercera Frontera Diatérmica, cuya Superficie es usada como Tierra Térmica en contacto con Compuestos Ambientales (líquidos o sólidos) o Terrestres.

Esta secuencia asegura la transmisión adecuada del calor de forma axial y perpendicular a la superficie expuesta, así como enfoca el calor en un único punto de transmisión del calor, produciendo un aumento del diferencial de temperatura considerable que a su vez produce un aumento correspondiente de tensión eléctrica generada.

MEJOR MANERA DE LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN

Para producir suficiente tensión eléctrica que constituya una f.e.m. (Fuerza Electromotriz) importante y considerable es necesario organizar los Colectores de Cosecha de Energía Infrarroja Solar en Matrices, con múltiples Colectores (Ver Fig. 2), fijas en las cubiertas, los muros, o los pavimentos presentes en la superficies expuestas de envolventes de edificios y pavimentos urbanos (Ver Fig. 3). Por conexión en paralelo y/o en serie, se puede incrementar la corriente o la tensión de la energía eléctrica renovable producida para alcanzar los niveles requeridos del consumo de los edificios y áreas urbanas que lo utilicen. Toda la energía captada en esta Matriz Colectora, debe ser cosechada y almacenada en un dispositivo acumulador mediante el uso de un Circuito Electrónico de Cosecha de Energía que va recuperando a cada segundo las pequeñas cantidades discontinuas y diferentes de energía que se producen, para ir construyendo una carga eléctrica considerable poco a poco en el Dispositivo Acumulador (Fig. 2 y Fig. 4).

La Energía acumulada en el dispositivo, que puede ser construido con baterías químicas o con súper capacitores de alto voltaje, según el uso y destino del edificio o pavimento electrificado, deberá ser regulado y su señal allternada, si el consumo arquitectónico lo solicita.

Una modalidad para la aplicación de la presente invención se de describe de la siguiente manera:

La presente invención, consiste de un sistema para la cosecha de energía eléctrica, proveniente de una fuente arquitectónica y urbana que almacena calor, por ejemplo, una fuente tal como la envolvente de edificios como cubiertas y muros externos o pavimentos urbanos que están expuestos a la radiación infrarroja del Sol. El presente sistema se integra por una placa de concreto (1), cuyo paño externo o acabado de la superficie (7) está expuesto directamente a la radiación del espectro infrarrojo del Sol (13), una primera barrera adiabática (2), una placa concentradora focal (3), un primer difusor focal (4), una segunda barrera adiabática (5), una tierra térmica o difusor final (6), una primer frontera diatérmica (8), una segunda frontera diatérmica (9), un módulo termoeléctrico (10) fabricado con semiconductores, una tercera frontera diatérmica (11 ), una superficie externa del difusor final (6), y una salida de cableado eléctrico (14).

La placa de concreto (1) consiste de una losa fabricada a partir de cemento comercial armado, de resistencia mecánica variable, que constituye la superficie firme de construcción o el acabado de recubrimiento de una edificación, que cuenta además con un armado metálico interior de los conocidos en la técnica de construcción. Dicha placa de concreto tiene una geometría adecuada a la edificación donde se encuentra. Puede ser realizada mediante un colado monolítico en sitio o por un arreglo modular de placas de concreto prefabricadas (Fig. 2 y Fig. 3) que poseen elementos de anclaje ahogados en el concreto de manera tal que exista una transmisión del calor de cada una de las placas de concreto (15) del arreglo hacia su propia placa concentradora focal (16). La placa de concreto (1) así fabricada, tiene en una de sus caras geométricas un paño externo o acabado de la superficie (7) que está expuesto directamente al espectro infrarrojo del Sol (13), y cuya textura y color son determinados libremente mediante un diseño arquitectónico o urbano. La primera barrera adiabática (2), consiste de un material aislante térmico, que en condiciones adecuadas puede consistir en un espaciamiento entre la placa de concreto (1 ) y la superficie donde se apoya y se fija la misma en la estructura del edificio o en la base de un pavimento urbano, de modo que dicha barrera adiabática impida la trasmisión de calor desde la placa de concreto hacia la estructura o base; dicha primera barrera adiabática (2) puede ser construida para algunas condiciones variantes, a partir de materiales tales como el aire, la madera, lana mineral, fibra de carbono, aerogel, textiles, polímeros, cerámicos y similares. El propósito de esta barrera es el de mantener el calor en la placa de concreto (1) por más tiempo y en ocasiones elevar su temperatura, de manera que la placa opera como un acumulador térmico. La placa concentradora focal (3), es una estructura constituida de un material de alta conductividad térmica diseñada con una geometría aleatoria, y es utilizada como puerta de conducción concentrada de! flujo de calor proveniente de la placa de concreto (1), que lo envía hacia el módulo termoeléctrico fabricado con semiconductores (10), adosado o adherido mediante una primera frontera diatérmica que sirve como medio de unión que de forma efectiva transmita el calor.

El primer difusor focal (4), es un cuerpo de geometría variable que esta construido de un material de alta conductividad térmica, unido y transmitiendo el calor por una segunda frontera diatérmica (9) al módulo termoeléctrico (10) que es fabricado con semiconductores y proporciona un medio axial y concentrado de transmisión de calor hacia la masa del material usado como tierra térmica que actúa como un difusor final (6).

Para evitar la pérdida de temperatura y concentrar axialmente el calor, el primer difusor focal (4) se encuentra rodeado de una segunda barrera adiabática (5), que puede estar construida también, para algunas condiciones variantes, a partir de materiales tales como el aire, la madera, lana mineral, fibra de carbono, aerogel, textiles, polímeros, cerámicos y similares.

El difusor final (6), es un material cuya masa es usada como tierra térmica, que está en contacto con compuestos medio ambientales o terrestres mediante una superficie externa o paño externo (12); su propósito fundamental es mantener estable y amplio el diferencial de temperatura que existe entre su masa del difusor final (6) y acabado de la superficie (7) de la placa de concreto (1) expuesta al espectro infrarrojo del Sol (13), ya que a mayor diferencial de temperatura, mayor tensión eléctrica producida. El paño externo (12) del difusor final (6), ofrece un medio de contacto e intercambio de temperatura terminal entre la masa del material usado como tierra térmica o difusor final (6) y su entorno; esta superficie disipa el calor hacia compuestos presentes en el medio ambiente o medio terrestre, que pueden presentarse en estado gaseoso, líquido o sólido, y está construido de un material de alta conductividad térmica.

Tanto la primera frontera diatérmica (8), como la segunda frontera diatérmica (9), pueden construirse de un adosado de ensamble geométrico perfecto, pulido y limpio, como de adherentes diatérmicos comerciales, que permita colocarlas cara con cara al módulo termoeléctrico (10) de una forma multicapa, adecuada para que se transmita el calor por conducción.

El módulo termoeléctrico (10) construido con semiconductores, es un componente laminado y multicapa que puede ser adquirido de forma comercial o fabricado específicamente para la variante de aplicación que se diseñe y funciona generando electricidad a partir de un diferencial de temperatura presente entre su dos caras externas, generando un diferencial de tensión eléctrica entre su terminal positiva y su terminal negativa.

La tercera barrera diatérmica (11), permite la transferencia de calor mediante un medio de unión perfecto entre la masa del material constitutivo del difusor final (6) que es usada como tierra térmica y el primer difusor focal (4). Finalmente una salida de cableado eléctrico (14) se deriva de las terminales positiva y negativa del módulo termoeléctrico (10) construido de semiconductores portando la carga eléctrica generada a partir del diferencial de temperatura existente entre su entorno y la masa de la placa de concreto (1), calentada por la radiación infrarroja directa o difusa proveniente del Sol (13), con una señal de corriente continúa y tensión eléctrica útil para el consumo arquitectónico, que es recabada por un diagrama del sistema del funcionamiento de circuito electrónico, como el que se muestra en la Fig. 4, que comprende un circuito de cosecha de energía (26), un dispositivo de almacenamiento de los conocidos tal como un arreglo de baterías químicas o de súper capacitores de alto voltaje (27), un dispositivo de regulación alternada, un dispositivo administrador de energía (29) que cuenta con un regulador alternado como fuente de poder que es el medio de distribución hacia los edificios arquitectónicos y las áreas urbanas que requieren su consumo (30). También se tiene un dispositivo de control y verificación de energía generada y disponible, en donde la energía para su funcionamiento la toma del mismo sistema (28).

La operación del sistema para la cosecha de energía eléctrica acumulada en forma de calor en las superficies de envolventes de edificios y pavimentos urbanos expuestos a la radiación infrarroja del Sol (13) consiste en generar y mantener presente el mayor tiempo posible un amplio diferencial de temperatura existente entre la superficie expuesta de la placa de concreto a la radiación infrarroja al Sol (7), y la masa del material usado como tierra térmica en contacto con compuestos ambientales o terrestres (6), ya que el voltaje producido por el sistema es directamente proporcional al diferencial de temperatura que ofrecen entre sí ambas temperaturas registradas; recordando que a mayor diferencial de temperatura, mayor velocidad de transferencia de calor, así como mayor cantidad tensión eléctrica. La temperatura de ambos componentes refleja proporcionalmente la cantidad de calor disponible en sus masas e influye en la cantidad de tensión eléctrica generada.

Durante el día, la temperatura de la placa de concreto (1) y el difusor final (6) varían dependiendo de la trayectoria solar en la bóveda celeste, teniendo una correspondencia proporcional con la temperatura del medio ambiente; se obtiene la temperatura más elevada del concreto cuando el Sol se encuentra en el zenith de la bóveda celeste, y tiene su temperatura más baja durante la noche cuando el Sol se encuentra en el nadir de la bóveda celeste; la masa del aire circundante, la superficie del suelo y la superficie de los mantos acuíferos cercanos (6) varían durante el día su temperatura en la misma razón y correspondencia con la trayectoria solar, ya que la energía infrarroja del Sol que calienta directamente ia atmósfera, el suelo y el agua durante el día, en la noche se mantienen residualmente calientes como consecuencia de la radiación difusa cargada aún en la masa de la misma atmósfera.

Por ejemplo, en un día cualquiera de una zona con clima templado, la temperatura ambiente varía de un mínimo esperado de 8 °C por la noche a un máximo esperado de 28 °C por el día; mientras tanto, la temperatura superficial del concreto puede oscilar de una temperatura mínima de 2 °C hasta una temperatura máxima de 58 °C; donde observamos que el concreto está más caliente que el aire durante el día y por la noche, la situación se invierte, porque el aire se encuentra más caliente que el concreto; obsérvese que alrededor de las 10:00 horas, como también alrededor de la 19:00 horas, ambas temperaturas coinciden en sus valores, con el concreto y el aire ofreciendo una temperatura aproximada de 14 °C; en el ejemplo mencionado, con el diferencial de temperatura existente entre ambas temperaturas que va variando durante todo el día, desde una cantidad de + 30 °C hasta - 6 °C, pasa dos veces por cero grados centígrados precisamente a las 10:00 y a las 19:00 horas del día.

Tomando este ejemplo como referencia, el sistema para la cosecha de energía eléctrica acumulada en forma de calor en las superficies de envolventes de edificios y pavimentos urbanos expuestos a la radiación infrarroja del Sol (25), produce su tensión máxima durante el día, cuando el diferencial de temperatura existente entre la superficie de concreto expuesta al Sol (1) y la masa del Difusor Final (6) es de + 30°C; de la misma manera, por la noche se produce también la generación de una tensión eléctrica al existir un diferencial de temperatura entre ambos materiales, de - 6 °C. Aunque sea de noche, se encuentre nublado, llueva, sople el viento, existan u ocurran sombres, mientras exista un diferencial de temperatura entre ambos materiales, siempre existirá una generación de energía en el sistema, en forma de tensión eléctrica. Caracterizando esta generación de energía renovable en una gráfica en la Fig. 5, tanto de día como de noche existe tensión eléctrica presente, que muestra un cambio de polaridad que es corregido en la Fig. 4 por el Circuito Electrónico de Cosecha de Energía (26) que alimenta al Dispositivo de Almacenamiento que posee el Sistema (27).

Cuando la radiación infrarroja directa del Sol (13) toca la superficie de la placa de concreto (1), la energía se almacena en la masa de la placa, manteniéndose acumulada por más tiempo gracias a la presencia de la primera barrera adiabática (2); el diseño concentra y trasmite el calor por la placa focal anclada en el concreto (4) hacia el módulo termoeléctrico (10) con ayuda de la primera frontera diatérmica (8), y lo conduce hacia el material que es usado como foco de la transmisión térmica gracias a la segunda frontera diatérmica (9), que a su vez trasmite el calor hacia la masa del difusor final (6) que tiene una superficie externa en contacto con compuestos ambientales o terrestres (12); este traslado de calor a través de la etapas mencionadas enfoca y acelera la transmisión de calor que cruza el módulo termoeléctrico construido de material semiconductor, excitando las moléculas con los fotones infrarrojos y desplazando electrones que son conducidos por sus terminales eléctricas (14) hacia los dispositivos de almacenamiento (27). Por lo tanto entre mayor diferencia de temperatura exista entre la placa de concreto (7) y la masa del difusor final (6), el calor fluirá a una mayor velocidad de transferencia a través del módulo termoeléctrico (10), aumentando con ello la cantidad de fotones infrarrojos hacia el módulo, generando mayor tensión eléctrica y un cambio recurrente de polaridad eléctrica diaria. Ver Fig. 5, sobre la f.e.m. Prueba de la Fuerza Electromotriz del Prototipo Termoeléctrico Analizado: Caracterización de la Diferencia de Potencial en Función del Diferencial de Temperatura en 24 horas.

INFORME DE FUERZA ELECTRÓMOTRIZ (f.e.m.)

Se tiene un reporte del funcionamiento del "Prototipo de Pavimento de Concreto Armado Prefabricado Termoeléctrico Solar" realizado por la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Xochimilco, en la Ciudad de México, D.F., el cual señala:

Objetivo:

Determinar la fuerza electromotriz f.e.m. del "Prototipo del Pavimento de Concreto Armado Termoeléctrico Solar" presentado y solicitado por su autor e inventor, el M. en Arq. Ernesto Ocampo Ruiz, Investigador de la Universidad De La Salle Bajío y Profesor Adscrito al Programa de Maestría y Doctorado en Arquitectura de la U.N.A.M., medida y caracterizada por el Laboratorio de Investigación Tecnológica (LITEC) de la UAM-Xochimilco, de quienes requiere una opinión independiente, externa y objetiva, ajena a sus instituciones de origen (U.N.A.M. Y De La Salle).

Antecedentes:

La fuerza electromotriz (f.e.m.) es una característica de todo generador eléctrico que lo hace capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. La f.e.m. de un generador se mide en voltios, al igual que el potencial eléctrico, y se define entonces como el trabajo total efectuado en joules por los coulombs de electricidad transportados en un circuito en el que la celda está conectada.

El prototipo opera como un termopar básico, que es normalmente utilizado en la industria bajo el efecto termoeléctrico peltier como un dispositivo para la medición de la temperatura. El circuito interno de un termopar está formado por dos materiales diferentes, unidos en sus extremos y entre cuyas uniones existe siempre una diferencia de temperatura, los cuales pueden originar una fuerza electromotriz (f.e.m.) aprovechando la presencia de los efectos termoeléctricos Seebeck y Thompson.

La magnitud de la fuerza electromotriz generada por el termopar está en función de la diferencia de temperatura entre la unión fría y la caliente, pero más específicamente, está generada como un resultado de los gradientes de temperatura existentes en su entorno. En el prototipo, esta diferencia de temperatura existe entre la unión caliente representada por la placa de concreto armada funcionando como colector infrarrojo solar, y la unión fría representada por los difusores compuestos de diversos metales en contacto con el aire o el agua a temperatura ambiente. Existe por lo tanto en el prototipo permanentemente un gradiente de temperatura entre la superficie expuesta al Sol de la placa colectora de concreto armada, y la masa del agua o el aire en contacto con su difusor multimetálico.

En la mayor parte de las fuentes de energías alternativas y renovables, principalmente aquellas que dependen directa o indirectamente de la energía del Sol, y a diferencia de los generadores por inducción electromagnética (motores, alternadores, etc.) y químicos (Baterías, pilas, etc.) ampliamente conocidos, en los generadores termoeléctricos no se puede obtener una lectura constante y absoluta de su f.e.m. a lo largo de un periodo determinado de tiempo. Un generador de energía termoeléctrica seebeck nunca genera la misma energía cuando opera libre respondiendo a las variables solares y climáticas de la intemperie. A cada segundo, el diferencial de temperatura presente hace variar siempre el diferencial de tensión eléctrica generada por el termopar. Esta característica fundamental del prototipo presentado, dependiente todos los días por un lado de las variables temporales del clima imperante y cambiante, y por el otro de la magnitud y orientación variable de la radiación solar cotidiana, hace que no sea posible determinar el valor absoluto y único de esta diferencia de potencial eléctrico. Sin embargo es posible medir un valor relativo a cada momento de su operación, durante una prueba continua de 24 horas (cada hora), que permita observar las variaciones resultantes de la f.e.m. a lo largo de ese tiempo, y construir con ello un potencial y una corriente acumulados muy aproximados que se pueden administrar y aplicar posteriormente. Así es posible establecer un rango de magnitudes máximas y mínimas reales en las que opera el prototipo y caracterizarlo, para conocer la carga eléctrica acumulada (Cantidad de Electricidad medida en Culombios) generada por el prototipo después de 24 horas de operación y que se puede almacenar, por ejemplo, en baterías cada día. Es la energía útil que finalmente interesa.

Metodología:

Para medir la fuerza electromotriz (f.e.m.) presente en el "Prototipo de Pavimento de Concreto Armado Termoléctrico Solar" se ha establecido como espacio experimental el sitio de operación utilizado inicialmente por los desarrolladores, para tener un medio de comparación posterior con nuestros resultados a partir de la f.e.m. caracterizada originalmente por ellos. Este espacio de medición fue ubicado en las coordenadas 19°36 ^* 32" latitud Norte, 99°12'88" longitud Oeste, a una altitud de 2229 metros sobre el nivel del mar, en la Ciudad de México, Distrito Federal, México. Se realizó la prueba de 24 horas continuas entre el 5 y el 6 de junio de 2013, con un pronóstico climático de temperaturas MAX = 30° C y MIN = 10° C, parcialmente nublado y con 20% de probabilidad de precipitaciones pluviales, que finalmente demostró en la realidad, una bóveda celeste semi despejada, con un viento de 8 mph constante medido durante el intervalo de las 13:00 a 16:00 horas, con corrientes de aire intermitentes el resto del tiempo.

A circuito abierto, la f.e.m. del generador termoeléctrico fue tomada cada hora, registrando su diferencia de potencial midiendo la tensión eléctrica (Voltios por segundo) con un voltímetro conectado en sus bornes o terminales. A circuito cerrado, se le tomó registro a la corriente eléctrica presente (amperes por segundo) con una resistencia de película de carbón de 1.0 ohms a 2 watts conectada en serie al generador, pero tocando en paralelo con el mismo voltímetro los extremos de esta resistencia para su medición. Mediante la Ley de Ohm, esta técnica indirecta evita la necesidad de desarmar por partes el circuito construido dentro del Prototipo para medir directamente la corriente y su intensidad con un amperímetro conectado en serie.

Al mismo tiempo, con un termómetro digital infrarrojo, se midió la temperatura superficial de la placa de concreto armada irradiada por el Sol, así como con un termómetro de punta sumergible la temperatura del agua presente acumulada dentro del prototipo y que se encuentra libre térmicamente variando sincrónicamente con la temperatura ambiente del aire. Los resultados tabulados muestran:

Ver Fig. 5, Gráfica sobre la f.e.m. Prueba de la Fuerza Electromotriz del Prototipo Termoeléctrico Analizado: Caracterización de la Diferencia de Potencial en Función del Diferencial de Temperatura en 24 horas. Ver Fig. 6, sobre la Tabla de Valores para generar la Gráfica de Tensión (Fig. 5) realizados durante la Prueba de 24 horas de la Fuerza Electromotriz (f.e.m.) del Prototipo Termoeléctrico Analizado.

Conclusiones: La fuerza electrómotriz (f.e.m.) medida en sitio en el "Prototipo de Pavimento de Concreto Armado Termoeléctrico Solar", que opera acumulando en forma de calor la energía del Espectro Infrarrojo del Sol (IR) en su superficie de Concreto, arroja Un rángo máximo de tensión eléctrica medida a las 15:00 horas de 1.556 voltios por segundo Corriente Directa (CD). Dadas las actuales dimensiones del Prototipo que mide 0.4944 m2 de área expuesta al Sol, cantidad cercana al medio metro cuadrado de construcción, se puede calcular la diferencia de potencial para una unidad construida, multiplicando por dos el voltaje máximo.

Para un metro cuadrado construido de pavimento con esta tecnología termoeléctrica, la f.e.m. esperada máxima estará comprendida en el rango cercano a 3.112 voltios por segundo (CD), que significa al menos 9.684 watts por segundo. Esta potencia puede aumentar como disminuir, sin modificar la estructura o la composición del mismo prototipo, siempre y cuando sean sujetos sus componentes activos a mayores o menores diferenciales de temperatura, por ser ubicado en otras latitudes y longitudes geográficas distintas, o por tratarse también de otro tiempo estacional. La carga eléctrica acumulada (Cantidad de Electricidad) generada por el prototipo (1/2 m2) después de 24 horas de operación es de 38,754.0 Culombios. De igual forma, la energía total proveniente del Sol que es transformada cada día en electricidad por la tecnología analizada es de 39,070.45 julios. Se observa y señala que durante el proceso de medición, el prototipo de pavimento termoeléctrico produce electricidad sin detenerse durante las 24 horas continuas de prueba, ya que el generador termoeléctrico opera ininterrumpidamente reaccionando a un diferencial de temperatura siempre activo y presente entre sus uniones, ocasionado por las variaciones naturales climáticas y de irradiación solar. Esto provoca un visible cambio de polaridad en la diferencia de potencial medida que bien puede explicarse en todo generador termoeléctrico seebeck por la presencia del efecto Thompson combinado con las variaciones del clima, cuando sucede la transferencia de calor de regreso al medio ambiente cada noche, de manera desigual en las uniones frías y calientes, invirtiendo así los papeles (del colector y del difusor) entre los componentes del termopar, ante la ausencia de radiación solar directa nocturna. Finalmente, y tomando en cuenta que ningún día de operación es igual debido al clima y la radiación cambiantes, comparando la caracterización previa de la f.e.m. que el equipo de desabolladores ha realizado antes de la prueba efectuada por el Laboratorio de Investigación Tecnológica (LITEC) de esta Unidad Académica, se puede concluir que la primera prueba fue realizada correctamente por los autores y que los valores de producción de la f.e.m. del "Prototipo de Pavimento de Concreto Termoeléctrico Solar" originales coinciden con este estudio por encontrarse sus valores cercanos y dentro de los rangos de magnitudes detectados durante la medición experimentada por este equipo de trabajo durante la caracterización de su f.e.m., en un día cualquiera de trabajo (e.g. 1.625 voltios por segundo y 37,574.4 Culombios medidos por los autores vs.1.556 voltios por segundo y 38,754.0 Culombios medidos en este estudio).