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25/10/2022

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Introducción al Derecho I

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"
“SISTEMA DE COGENERACIÓN PARA RECUPERAR LA ENERGÍA
TÉRMICA RESIDUAL; DEL TABLERO DE CONTROL DE FRENADO
DE LOS ASCENSORES UBICADOS EN EL EDIFICIO
TORRE ESMERALDA I EN LA CDMX”.
SEMINARIO
PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
P R E S E N T A N
DAVID TORRES GONZÁLEZ
HUGO REYES RUIZ
ASESORES:
ING. LUIS GUILLERMO LÓPEZ GONZÁLEZ.
ING. ALEJANDRA MONTES SERVIN
CIUDAD DE MÉXICO, ABRIL DE 2018

ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE GENERAL.………………………………………………………………… i
RESUMEN……………………………………………………………………………. vi
DEDICATORIAS……………………………………………………………………… vii
AGRADECIMIENTOS……………………………………………………………….. viii
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………. ix
ANTECEDENTES GENERALES...………………………………………………… ix
PROBLEMÁTICA……………………………………………………………………. xi
OBJETIVO GENERAL……………………………………………………………… xi
OBJETIVOS ESPECIFICOS………………………………………………………. xi
JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………….. xi
CAPÍTULO 1 MARCO CONCEPTUAL Y CONTEXTUAL……………………… 1
1.1.- CONTEXTO DE LA SITUACIÓN……………………………………………. 3
1.1.1.- ANÁLISIS DE LA OPORTUNIDAD……………………..……………… 4
1.1.2.- OFERTAS DE LAS ENERGÍAS ALTERNATIVAS EN EL MERCADO 6
1.2.- MARCO TEÓRICO DE REFERENCIA……………………………………... 8
1.3.- PLANTEAMIENTO DE LA PROPUESTA………………………………….. 15
1.3.1.- PRECIO (POLÍTICA DE PRECIO)………………………….…………... 15
CAPÍTULO 2: ESTUDIO TÉCNICO………………………………………………. 17
2.1.- LOCALIZACION DEL PROYECTO…………………………………………. 19
2.2.- DETERMINACION DEL TAMAÑO………………………………………….. 21
2.3.- TECNOLOGIA BÁSICA………………………………………………………. 22
i

ÍNDICE GENERAL (CONTINUACIÓN)
DIAGRAMA DE FLUJO……………………………………………………………... 22
DIAGRAMA DE BLOQUES………………………………………………………… 23
GRAFICA DE GANTT………………………………………………………………. 24
ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN…………………………………………………. 25
DIAGRAMA ELÉCTRICO DEL SISTEMA DE COGENERACIÓN……………… 26
2.4.- TECNOLOGIA DE DETALLE……………………………………………….. 28
2.4.1.- ANÁLISIS DE NECESIDADES DE MAQUINARIA, EQUIPO Y
SERVICIOS…………………………………………………………………………..
28
CÁLCULOS………………………………………………………………………….. 28
2.4.2.- DISTRIBUCIÓN DE LA PLANTA………………………………………... 33
2.5.- NORMAS, LEYES Y REGLAMENTOS…………………………………….

35
2.6.- SELECCIÓN Y ESPECIFICACIÓN DE MAQUINARIA EQUIPO,
SERVICIOS, MATERIALES VARIOS………………………………………………

39
CAPÍTULO 3: ESTUDIO ECONÓMICO…………………………………………...

44
3.1.- OBJETIVOS GENERALES Y ESTRUCTURACIÓN DEL ESTUDIO
ECONÓMICO…………………………………………………………………………

3.2.- DETERMINACIÓN DE LOS COSTOS……………………………………….

45
3.3.- CRONOGRAMA DE INVERSIONES…………………………………………

46
RETORNO DE INVERSIÓN DEL PROYECTO …………………………………..

47
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………………………..

48
TABLAS ESTADISTICAS……………………………………………………………

49
FUENTES DE CONSULTA………………………………………………………….

52
GLOSARIO…………………………………………………………………………….
53

NOTACIÓN……………………………………………………………………………

54
ii

ANEXOS……………………………………………………………………………….

ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………………. iii
Figura 1. Mapa de localización del edificio a evaluar……………………………… 3
Figura 2. Circuito esquemático de la celda Peltier con conexión a convertidor
de corriente directa corriente alterna……………………………………………..
5
Figura 3 Esquema del efecto Seebeck……………………………………………. 9
Figura 4. Esquema del efecto Peltier……………………………………………… 10
Figura 5. Elementos de la celda Peltier……………………………………………. 12
Figura 6. Localización con imagen satelital……………………………………….. 19
Figura7. Ubicación de la Delegación Miguel Hidalgo en la Ciudad de México,
que es el lugar donde se encuentran instalados los 4 elevadores del edificio
Esmeralda……………………………………………………………………………...

20
Figura 8. Diagrama unifilar de conexiones de la implementación de celdas
Peltier en la cogeneración de energía……………………………………………...

21
Figura 10. Diagrama de flujo. Generación de energía termoeléctrica por medio
de celdas Peltier………………………………………………………………………..
22
Figura 11. Diagrama de Bloques……………………………………………………

23
Figura 12. Gráfica de Gantt…………………………………………………………. 24
Figura 13.- Esquema de equipos necesarios para la instalación del sistema….

25
Figura 14.- Descripción del diagrama eléctrico…………………………………… 26
Figura 15.- Nomenclatura de la Figura 14…………………………………………. 27
Figura 16.- Diagrama de conexión de las celdas Peltier………………………… 28
Figura 17. Generación de energía en kWh recuperada………………………….. 30
Figura 18. Triángulo de Potencias………………………………………………….. 31
Figura 19. Diagrama de distribución de la planta correspondiente al piso 28…. 33
Figura 20. Distribución de la subestación correspondiente a la planta baja….. 34
Figura 21. Comparación del aprovechamiento de la energía primaria entre un
sistema tradicional de generación y un sistema de cogeneración………………
44
iii

ÍNDICE DE TABLAS…………………………………………………… iv
Tabla 01.- Costos del Proyecto……………………………………………………..
45
Tabla 02.- Flujo de caja del Proyecto………………………………………………
46
Tabla 03.- Tarifa H-M ………………………………………………………………..
50
Tabla 04.- Área promedio de los conductores eléctricos de cobre suave o
recocido, con aislamiento TW, THW, y Vinanel 900……………………………………

50
Tabla 05.- Diámetros de áreas interiores de tubos conduit y ductos
cuadrados……………………………………………………………………………..

51
Tabla 06.- FUENTES DE CONSULTA……………………………………………

ÍNDICE DE ECUACIONES……………………………………………. iv
Ecuación 1. Energía Calorífica Producida “Q” …………………………………. 8
Ecuación 2 Coeficiente de Seebeck “αAB “………………………………………. 9
Ecuación 3. Potencia Calorífica Intercambiada “Ǭ “………………………….…. 10
Ecuación 4. Potencia Suministrada en la Fuente “P ent “……………………… 11
Ecuación 5. Trabajo interno que se debe a la conducción térmica “Ǭ “…........ 11
Ecuación 6. Conductividad de la celda “K “………………………………………. 11
Ecuación 7. Cesión de calor por unidad de tiempo “QPC” ....……………………. 13
Ecuación 8. Cesión de frío por unidad de tiempo “QPF”…………………………. 13
Ecuación 9. Perdidas por unidad de tiempo “QJ” ………………………………... 13
Ecuación 10. Efecto de conducción térmica entre la cara fría y la cara
caliente “QCT” ………………………………………………………………………...
14
Ecuación 11. Flujo neto calorífico “QC”…………………………………………… 14
Ecuación 12. Flujo neto de calor cedido “QF”…………………………………… 14
iv

Ecuación 13. Potencia Eléctrica “Pe” …………………………………………….. 14
Ecuación 14.- Retorno de Inversión RDI………………………………………….. 47

RESUMEN
El presente trabajo expone una opción de generación de energía por medio de
Termoelectricidad. Este fenómeno es fundamental al implementar las celdas
Peltier, dentro de un ambiente controlado, por medio de un aire acondicionado
(aire a bajas temperaturas) y tableros de control de ascensores (aire a altas
temperaturas). Estas diferencias de temperatura, nos ayudan a colocar una cara
de las celdas Peltier con aire frío y la otra con aire caliente, permitiéndonos
generar una diferencia de potencial dentro de nuestras celdas Peltier de 12 Volts.
La combinación de tecnología de micro-inversores, que son ocupados en celdas
solares, para sistemas de cogeneración de la energía hacia la red eléctrica, nos
respalda para integrar el dispositivo por medio de celdas Peltier.

DEDICATORIAS.
Este trabajo está dedicado a nuestros padres que con el único interés de buscar
respaldarnos en nuestros estudios, y para la consecuente superación de nuestro
crecimiento académico y personal, hicieron los sacrificios necesarios para que nos
encontremos honrando sus esfuerzos el día de hoy.
Dedicamos este trabajo también, a nuestros maestros que con certeza,
conocimiento y dedicación, nos ayudaron a alcanzar y cerrar éste ciclo de
nuestras vidas.

vii

AGRADECIMIENTOS.
Agradecemos a nuestros Padres, maestros, y compañeros. Que estuvieron con
nosotrosdurante nuestros estudios, compartiendo experiencias y conocimientos.
A su vez, agradecemos a nuestras parejas e hijos que tuvieron que prescindir de
nuestra presencia en algunos momentos, para apoyarnos en lograr nuestra meta,
con el firme objeto de acompañarnos en nuestro camino.

viii

INTRODUCCIÓN
La implementación de sistemas de recuperación de energía se ha convertido en
una prioridad dentro de la industria y en la vida cotidiana. Lo anterior es
ocasionado por la demanda de energía que requerimos, para transformar a la
materia prima en un producto final.
Por ello, y con base en las propuestas existentes, se hace necesaria la
implementación de sistemas que nos ayuden a recuperar la energía residual
obtenida de los diferentes procesos. Buscando cubrir nuestras necesidades
energéticas en el presente y futuro, sin afectar al medio ambiente.
Para esto, el trabajo aquí descrito, se enfoca a la implementación de las celdas
Peltier en la recuperación del calor residual, el cual, nos da la pauta para aportar
una solución complementaria, al problema de contaminación ambiental que se
presenta en nuestros días.
ANTECEDENTES GENERALES
La energía térmica se encuentra inherente en cada uno de los procesos de
transformación dentro de la industria en general. Las pérdidas por calor residual
pueden presentarse en procesos de producción, reciclaje, almacenaje, transporte,
empaque, y manejo de desechos.
Por lo anterior expuesto, se hace necesario implementar dispositivos que nos
ayuden a recuperar la energía térmica residual. Algunos ejemplos de los procesos
de transformación, que presentan una energía térmica residual son: Plantas de
cogeneración de energía con biodiesel, plantas de ciclo combinado,
termoeléctricas, plantas generadoras de energía solar, plantas generadoras de
energía eólica, plantas generadoras de energía nuclear.
En la actualidad Investigadores del MIT “Massachusetts Institute of Technology “,
desarrollaron un dispositivo termoeléctrico con un compuesto fundido de estaño y
azufre que puede convertir eficientemente el calor residual industrial en
electricidad. Investigadores de esa universidad desarrollaron un dispositivo
termoeléctrico que funciona en estado líquido con un compuesto fundido de
estaño y azufre que puede convertir eficientemente el calor residual industrial en
electricidad. Esto es un avance importante porque los fabricantes de vidrio y
acero, por ejemplo, producen grandes cantidades de energía térmica residual a
altas temperaturas, pero los dispositivos termoeléctricos de estado sólido que
convierten el calor en electricidad no funcionan a temperaturas altas o cuestan
tanto que su uso se limita a aplicaciones especiales, como en las naves
espaciales de la NASA. [1]
Material de Muy Alta Eficacia para Convertir Calor Residual en Electricidad
Un equipo de especialistas ha puesto nanocristales de sal gema en teluro de
plomo, creando un material que puede obtener electricidad de fuentes de calor
ix

como por ejemplo los tubos de escape de vehículos y la maquinaria industrial, y
todo ello con mayor eficacia que lo conseguido por otros materiales anteriormente.
El material exhibe un excelente perfil termoeléctrico que se espera permita
convertir en electricidad el 14 por ciento del calor residual, algo nunca antes
logrado.
Químicos, físicos y científicos de los materiales de la Universidad del Noroeste, en
Estados Unidos, han trabajado juntos para desarrollar el material.
Desde hace un centenar de años, se sabe que los semiconductores tienen esta
propiedad que permite generar electricidad. Para hacer eficaz este proceso, todo
lo que se necesita es el material correcto, y el equipo del químico Mercouri
Kanatzidis ha encontrado una buena receta para producir un material de alta
eficiencia. [1]
El nuevo material podría incluso permitir, en forma de un pequeño dispositivo
adosado a una lámpara eléctrica, hacer a ésta más eficiente al tomar el calor que
genera y convertir parte de éste, del 10 al 15 por ciento, en electricidad, una forma
de energía a menudo más útil. [2]
Cualquier industria que use el calor para fabricar sus productos podría obtener un
ahorro energético al reutilizar el calor mediante un dispositivo derivado de la
innovación tecnológica conseguida por el equipo de Kanatzidis.
La crisis energética y la necesidad imperiosa de proteger el medio ambiente son
las dos principales razones para esforzarse en trasladar lo antes posible este
sistema del laboratorio a la vida cotidiana. [2]

[
1
]http://news.mit.edu/2017/liquid-tin-sulfur-compound-shows-thermoelectric-potential-0612, 2017
[
2
]http://conricyt.mx/noticias-y-avisos/material-de-muy-alta-eficacia-para-convertir-calor-residual-en-
electricidad.htm, 2017.
x
http://news.mit.edu/2017/liquid-tin-sulfur-compound-shows-thermoelectric-potential-0612
http://conricyt.mx/noticias-y-avisos/material-de-muy-alta-eficacia-para-convertir-calor-residual-en-electricidad.htm
http://conricyt.mx/noticias-y-avisos/material-de-muy-alta-eficacia-para-convertir-calor-residual-en-electricidad.htm

PROBLEMÁTICA
Desaprovechamiento de la energía calorífica de los tableros de control en los
ascensores ubicados en Boulevard Ávila Camacho Número 36, Colonia Lomas de
Chapultepec C.P. 11000. Originada por el calentamiento de componentes
electrónicos dentro de un tablero de control de motores para ascensor.
OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sistema de recuperación de energía calorífica generada en los tableros
de control de los ascensores ubicados en Boulevard Ávila Camacho Número 36.
Colonia Lomas de Chapultepec, en el edificio Torre Esmeralda I, por medio de
celdas Peltier.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Cumplimiento del principio de sustentabilidad número 4 (Maximizar eficiencia).
Cumplimiento del principio de sustentabilidad número 6 (La entropía y complejidad
como inversión).
Cumplimiento del principio de sustentabilidad número 08 (Satisfacer la necesidad,
minimizar el exceso).
Cumplimiento del principio de sustentabilidad número 10 (Integre flujos de
materiales y energía).
Cumplimiento del principio de sustentabilidad número 12 (renovables en lugar de
agotamiento. Las entradas de materia y energía deberían ser renovables).
Aprovechamiento de la energía residual para convertirla en corriente alterna.
Recuperación económica al momento de cogenerar con CFE, de manera continua.
Cumplir con la NOM 001 SEDE 2012 de instalaciones Eléctricas [3]
JUSTIFICACIÓN
El proyecto se basa en obtener energía eléctrica por medio de energía residual en
un tablero de control para motor de ascensor. Esto es, que el calor liberado por el
tablero, nos ayudará a generar energía eléctrica al momento en que se coloquen
las celdas Peltier, en la salida de calor residual disipado por la parte posterior del
tablero.
Los beneficios económicos, estarán sustentados completamente en la
recuperación de energía.
[
3
]http://www.upt.edu.mx/Contenido/Certificaciones/pdf/iso/2/ReqLegales/Federal/06_NOM-001-
SEDE-2012.pdf, 2017.
xi
http://www.upt.edu.mx/Contenido/Certificaciones/pdf/iso/2/ReqLegales/Federal/06_NOM-001-SEDE-2012.pdf
http://www.upt.edu.mx/Contenido/Certificaciones/pdf/iso/2/ReqLegales/Federal/06_NOM-001-SEDE-2012.pdf

Como beneficios ecológicos se tiene considerado un ahorro en la energía que será
recuperada por las celdas Peltier hacia la red eléctrica.
En lo social, estaría enfocado hacia la reducción de equipos de generación con
combustible fósiles, mejorando la calidad de vida de las personas.
El costo beneficio del proyecto, está basado en la energía recuperada por medio
de las celdas Peltier, la cual se conectara a un convertidor de corriente directa a
corriente alterna, con el objeto de introducir a la red eléctrica la energía eléctrica
recuperada de la diferencia de temperaturas entre el tablero y el aire
acondicionado.
Cuando cumplimoscon el principio de sustentabilidad número 4 “Maximizar
eficiencia”, aprovechamos el calor residual generado por el tablero, para
cogenerar energía hacia la red eléctrica.
Cumplimiento del principio de sustentabilidad número 6 (La entropía y complejidad
como inversión). En éste caso estamos reutilizando la temperatura, reduciendo el
consumo de energía de la red eléctrica y reciclando calor residual que
invariablemente consumiría energía eléctrica para estabilizar la temperatura del
cuarto de control.
Cumplimiento del principio de sustentabilidad número 08 (Satisfacer la necesidad,
minimizar el exceso). En éste principio, el diseño de las celdas solo será enfocado
a la colocación de celdas a lo largo de la salida posterior del gabinete de control.
Cumplimiento del principio de sustentabilidad número 10 (Integre flujos de
materiales y energía). Para éste principio, el proyecto se enfoca al
aprovechamiento de un subproducto que es el aire residual, el cual esta inherente
en el proceso de control de motor del ascensor.
Al cumplir con el principio de ingeniería verde, número 12. “Renovables en lugar
de agotamiento. Las entradas de materia y energía deberían ser renovables”,
aprovechando una energía residual que se considera perdida en el proceso de
enfriamiento de cuarto de control.

xii

Divide cada dificultad en tantas partes

como sea factible y necesario para resolverlo

René Descartes.

CAPÍTULO 1: MARCO CONCEPTUAL Y
CONTEXTUAL.

1.1.- CONTEXTO DE LA SITUACIÓN
La energía residual obtenida de un tablero de control de 4 ascensores ubicados en
Boulevard Ávila Camacho Número 36, Colonia Lomas de Chapultepec C.P. 11000;
en la CDMX (ver Figura 1). Las pérdidas de calor residual causadas por el
calentamiento de los componentes internos de un tablero de control de los
ascensores, generan una pérdida de calor considerable, estableciendo un rango
de entre 69oC a 72oC (124.19 BTU A 129 BTU). Por lo cual, es importante
recuperar esta energía térmica residual, para que no sea neutralizada por el aire
acondicionado que se utiliza dentro del cuarto de control. La temperatura a la cual
se controla el cuarto en donde se ubica el tablero es de 50oC (dentro de norma).

Figura 1. Mapa de localización del edificio a evaluar.

1.1.1.- ANÁLISIS DE LA OPORTUNIDAD.
Con el fin de determinar el calor residual, que será recuperado por las celdas
Peltier, se establece el presente cálculo, para el calor residual a recuperarse, en
kWh y de manera económica.
Lo horarios de trabajo de los ascensores están establecidos de la siguiente forma:
8:00 hrs. a 18:00 hrs. de lunes a viernes.
Calor Residual, se enlistan los equipo que se encuentran dentro del tablero de
control del gabinete que controla un motor de 15 HP.- Variador: 480 W; Fuente de
alimentación de 24 VCD:110 W; Transformador de seguridad 220/110 VCA, 250
VA, 1 fase : 45W; Transformador de seguridad 1600 VA 220/220 VCA, 140 W.
Total: 775 Watts, la corriente a recuperar en 220 VCA a la cual será de: 775W /
127 VCA = 6.10 Amps; esto es: 558 kWh por mes; lo cual equivaldría
económicamente a: $1.2229 x 558 kWh= $ 682.37 de energía con tarifa H-M
(véase Tabla 01), consumiendo un 50.0% del consumo en kWh considerando un
consumo intermedio [4].
Celda Peltier.- Se tiene considerado instalar 4 celdas Peltier (colocando 4
módulos en paralelo con capacidad de 50 Watts cada uno con el fin de recopilar
un total de 600 Watts, esto es: 12.5 Amp; En kWh = (lo cual sería equivalente a
recuperar $1.2229 x 439.2 kWh = $537.10 bimestrales (61 días), bajo la misma
tarifa que se especifica en el calor residual. Cabe mencionar que esto se reflejará
tres veces debido a que se acoplará a un sistema trifásico con 3 celdas
implementando 3 arreglos de 4 celdas peltier: 3 x $537.10 = $1,611.29
Aire acondicionado.- (Largo x Ancho x Alto x 600 BTU) = (10 X 5 X 2.75 X 600)
= 82500 BTU. Temperatura regulada en el cuarto de control de 17oC.

[
4
]http://tecnicsuport.com/index.php?pagina=http://tecnicsuport.com/elec/taulesconsulta/armaris/cal
or.htm, 2017.
4
http://tecnicsuport.com/index.php?pagina=http://tecnicsuport.com/elec/taulesconsulta/armaris/calor.htm
http://tecnicsuport.com/index.php?pagina=http://tecnicsuport.com/elec/taulesconsulta/armaris/calor.htm

1.1.1.- ANÁLISIS DE LA OPORTUNIDAD (CONTINUACIÓN).
Muestreo con cámara termográfica del calor residual en los tableros de control.

Calor residual
65.9oC

Celdas Peltier

Aire acondicionado 19ºC

Figura 2. Circuito esquemático de la celda Peltier con conexión a convertidor de corriente directa
corriente alterna.

70 OC
18.5 - 19 OC
127 VCA
12VCD
439.2 KW/hr

1.1.2.- OFERTAS DE LAS ENERGÍAS ALTERNATIVAS EN EL
MERCADO.
Solar
Se aprovecha la radiación del sol con el propósito de generar energía eléctrica o
térmica mediante el uso de diferentes tecnologías. Algunos de estos inventos
tecnológicos utilizados para aprovecharla son los paneles solares y los colectores
térmicos.
Eólica
Se aprovecha de la fuerza del viento la energía cinética y ésta es transformada en:
 Energía eléctrica, se transforma en electricidad mediante turbinas por las que
pasa el viento, mismas que están conectadas a un generador que produce
electricidad.
 En energía mecánica, empleada para moler granos, mover veleros o incluso
extraer agua de pozos.
Hidráulica
Es aquella almacenada en las corrientes de ríos y presas. Se obtiene de la
energía cinética y potencial de la corriente de agua o mareas: el agua a gran
velocidad (ya sea por la corriente o porque esté cayendo de gran altura) mueve
turbinas que están conectadas a generadores, mismos que producen electricidad
con el movimiento de las turbinas.
Mareomotriz
Es la energía que se obtiene de las mareas de mares y océanos.
Geotérmica
Se obtiene del aprovechamiento del calor generado en el interior de la tierra,
misma que se manifiesta en los volcanes y geiseres. El vapor de agua generado
por el calor de la Tierra pasa por una turbina que está conectada a un generador,
el cual produce electricidad con el movimiento de la turbina.
Nuclear
Cuando se utiliza Hidrógeno, en vez de Uranio, en el proceso de fusión nuclear
para generar electricidad sí se considera renovable.
Biomasa
La biomasa es la materia orgánica que se origina en procesos biológicos, tanto
espontáneos como provocados, que sirve como fuente de energía. Se obtiene
mediante la quema de materia orgánica como madera, cáscaras de frutos y
plantas. Se libera energía porque las plantas a través de la fotosíntesis capturan y
6
http://blog.galt.mx/como-funciona-la-energia-solar
http://blog.galt.mx/paneles-solares-en-mexico-como-funcionan
http://blog.galt.mx/energia-eolica-y-su-impacto/
https://twenergy.com/a/que-es-la-energia-hidraulica-426
https://twenergy.com/a/que-es-la-energia-mareomotriz-588
http://blog.galt.mx/que-tipos-de-energia-renovable-existen
http://www.appa.es/04biomasa/04que_es.php

almacenan la energía del Sol, por lo que al quemarlas la liberan. Aunque es una
fuente de energía sustentable, tiene dos grandes desventajas:
La primera es que la cantidad de energía obtenida depende directamente de la
cantidad de desechos agrícolas generados, por lo que es probable que se agote
en algún punto o que el suministro sea irregular.
 Como la parte esencial de su proceso es la combustión, se libera dióxido de
carbono (CO2) a la atmósfera. Este es un gas contaminante y que contribuye
de manera significativa al efecto invernadero, al calentamiento global y por
consecuencia al cambioclimático.
 Si se convierte en un combustible entonces liberará incluso más dióxido de
carbono a la atmósfera.
Desechos urbanos
También es posible obtener energía por medio de los deshechos urbanos. Esta
energía sería más contaminante si no se utilizara, ya que para llevar a cabo su
proceso de pudrición se hace uso de gas natural, el cual contribuye a la emisión
de dióxido de carbono.
Celdas Peltier
Las celdas Peltier, son utilizadas hasta hace unos años, como un sistema de
enfriamiento, el sistema opera con bajos voltajes para generar bajas temperaturas,
para dispositivos electrónicos. No obstante, el hecho de cogenerar por medio de
calor con éste tipo de equipos, es una aplicación relativamente nueva. Y de algún
modo limitada por el tamaño de las celdas. No obstante, tienen un gran potencial
por su bajo precio y la capacidad de generar energía eléctrica de manera
ininterrumpida en sistemas que requieren un enfriamiento y que desprenden calor
residual. Tales como: Centros de datos, tableros de control, hornos, y en general
sistemas que requieren de un sistema de enfriamiento en su funcionamiento.

1.2 MARCO TEÓRICO DE REFERENCIA
Efecto Peltier.
Con el objeto de comprender el efecto Peltier es necesario conocer los efectos
termoeléctricos de Joule, Seebeck y Thomson. La interacción entre un fenómeno
térmico y un fenómeno eléctrico se conoce desde el siglo XIX; cuando Joule
observó que la materia ofrece cierta resistencia al movimiento de los electrones,
los cuales ceden energía cinética en los sucesivos choques entre moléculas. A
éste fenómeno se le llama efecto Joule. Esta energía proporcionada por los
electrones, se disipa en forma de calor. Sin embargo no es el único fenómeno de
interacción termoeléctrica que se presenta.
El efecto Peltier fue descubierto en el año de 1834 por el físico francés Peltier J. C.
A. Y surgió sobre la base del descubrimiento del físico alemán Seebeck T.J. en
1821, quien observó que en un círculo formado por dos conductores distintos,
cuyas uniones soldadas se encuentran en medios con temperaturas distintas,
aparece entre ambos una diferencia de potencial la cual es función de la
naturaleza de los conductores, y de la diferencia de las temperaturas. Este
dispositivo se conoce como termopar. La esencia del efecto Peltier, que
básicamente es lo contrario del efecto Seebeck, consiste en hacer una corriente
procedente de una fuente de energía, a través de un circuito formado por dos
conductores de distinta naturaleza, obteniéndose, que una de sus uniones
absorbe calor y la otra lo cede. El calor que cede el foco caliente será la suma de
la energía eléctrica aportada al termoelemento y el calor que absorbe el foco frío.
Estos termo elementos, configurados de éste modo, constituyen una máquina
térmica.
El efecto Thomson, descubierto en 1857 por Thomson W., consiste en la
absorción o liberación de calor por parte de un conductor eléctrico, con un
ingrediente de temperaturas, por el cual circula una corriente eléctrica.
Efecto Joule.
La más conocida interacción entre un fenómeno eléctrico, la conducción de
corriente eléctrica, y su fenómeno térmico asociado, el calentamiento del
conductor por el que circula la corriente, es el efecto Joule. La materia ofrece
cierta resistencia al movimiento de los electrones, los cuales ceden energía
cinética al entorno en los sucesivos choques. Esta energía proporcionada por los
electrones se disipa en forma de calor.
Q = I2Rt………………………………………….Ecuación 1
Dónde:
Q = Energía Calorífica Producida
I = Corriente
R = Resistencia eléctrica del conductor
t = Tiempo.

A
B
A

Efecto Seebeck.
Thomas J. Seebeck en 1821 descubrió que en un circuito formado por dos
metales distintos homogéneos, A y B, con dos uniones a diferentes temperaturas,
T y T + ΔT, se establece un flujo de corriente eléctrica J, o bien, si se abre el
circuito una fuerza termo electromotriz (f.t.e.m). EAB que depende de los metales
utilizados en la unión y de la diferencia de temperatura entre las dos uniones. En
la Figura 3 se muestra el esquema de las configuraciones mencionadas.

Figura 3 Esquema del efecto Seebeck.

A = Metal “A”
B= Metal “B”
T= Temperatura
EAB = Fuerza termo electro motriz (f.t.e.m) entre los puntos A y B.
La relación en la f.t.e.m., EAB, y la diferencia de temperaturas entre las uniones ΔT,
define el coeficiente Seebeck.

Dónde:
A y B Potencias termoeléctricas absolutas de A y B, y son características de
cada metal.
αAB = Coeficiente de Seebeck.
T = Temperatura.
En general, αAB no es constante, sino que depende de la temperatura T.

T T + ΔT J T + ΔT
B
EAB
𝜕 EAB
αAB = = 𝜕 A - 𝜕 B ……………………………. Ecuación 2
𝜕 T

T
9

Figura 4 Esquema del efecto Peltier.
Efecto Peltier.
El efecto Peltier, consiste en el enfriamiento Qc (BTU) o calentamiento Qh (BTU)
de una unión entre dos conductores distintos al pasar una corriente eléctrica por
ella, la cual depende exclusivamente de la composición y temperatura de la unión.
En la Figura 4, se observa el circuito

Dónde:

Qc = Potencia de enfriamiento.
Qh = Potencia calorífica.
Ǭ = Potencia calorífica intercambiada.

La potencia calorífica intercambiada Ǭ entre A y B es:
Ǭ= JπAB = JΔTαAB…………………………..……..…. Ecuación 3
Dónde:
πAB = es el coeficiente de Peltier, que se define como el calor intercambiado en la
unión por unidad de tiempo y de corriente que circula a través de la misma,
J es el flujo de corriente eléctrica,
ΔT es la diferencia de temperatura absoluta entre A-B
αAB el coeficiente Seebeck.

+ -
Material A
Material B Material B
Tc Th
Qh Qc
I ent
10

Por lo tanto al colocar la fuente fabricada, a una fuente de alimentación de
corriente continua, la potencia que se absorbe corresponde a un fenómeno
correspondiente al efecto Joule, y otro debido al efecto Peltier, de la Ecuación 1 y
Ecuación 3, determina la potencia absorbida.
P ent = I2 R + IΔTαAB ………………………….………Ecuación 4
Dónde:
P ent = es la potencia suministrada por la fuente.
I = Corriente.
R = Resistencia del conductor.
ΔT = Gradiente de temperatura
αAB = Coeficiente Seebeck

Conducción Térmica.
Por último hay un trabajo interno que se debe a la conducción térmica Ǭ,
determinada por la ley de Fourier. La cual, establece que la tasa de transferencia
de calor por conducción en una dirección determinada, es proporcional al área
normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de temperatura en esa
dirección. Como es un trabajo interno, no ha de ser tenido en cuenta en la
Ecuación 4. Por lo tanto, el calor que fluye del foco más caliente al foco más frío,
por unidad de tiempo para cada elemento es:

Dónde:
Ǭ = Trabajo interno que se debe a la conducción térmica
k es el coeficiente de conductividad térmica de cada elemento por unidad de
longitud a través de unidad de sección,
A es la sección normal a la dirección del flujo,
l es la longitud de cada elemento
ΔT es el gradiente de temperatura en los extremos del elemento.

Por último se define como conductividad térmica de la celda K, a la suma de las
contribuciones cada elemento [4]
K = Conductividad térmica de la celda.
∑ (

)

…………………….. Ecuación 6

kAΔT
Ǭ = , …………………………………………………………………….…. Ecuación 5
l

Celdas Peltier
Las celdas Peltier son dispositivos termoeléctricos que se caracterizan por la
aparición de una diferencia de temperaturas entre las dos caras de un
semiconductor, cuando circula una corriente por éste. Estos sistemas son capaces
de transformar la energía eléctrica en energía térmica.
Las celdas Peltier son una alternativaa la refrigeración utilizada normalmente, por
medio de la compresión de vapores con cambio de fase. En el modelo tradicional
se establece un determinado ciclo para que un gas, el cual es comprimido y luego
es expandido, para lograr la correspondiente absorción de calor. Como
consecuencia en todo circuito frigorífico se requiere de un condensador, un
evaporador, un circuito de expansión y de elementos refrigerantes.

En cambio, los semiconductores de la celda Peltier, son capaces de extraer calor
de la cara fría, y bombearlo a la cara caliente por medio de una batería eléctrica.
La refrigeración termoeléctrica se establece como una alternativa para los
sistemas utilizados habitualmente en nuestros hogares y en la industria.

El comportamiento de la celda Peltier.
Si bien el efecto Peltier es conocido desde 1834, su aplicación práctica necesitó
del desarrollo de los semiconductores, pues éstos resultan ser buenos
conductores de la electricidad, pero pobres medios para conducir el calor. La
circulación de una corriente eléctrica a través de dos materiales semiconductores
con diferente densidad de electrones libres, produce que se libere o se absorba
energía. La transferencia de energía tiene lugar en forma de flujo calorífico entre
las dos caras de los semiconductores, véase Figura 5.

Elementos de la celda Peltier…………Figura 5
El enfriamiento termoeléctrico empezó a ser factible a partir de los estudios de
Telkes en los años 30 y de Lofee en 1956. Los nuevos materiales
semiconductores irrumpían en la escena produciendo rendimientos mucho más
altos. Telkes utilizó pares o soldaduras de PbS y ZnSb y Loffee descubrió el uso
de PbTe y PbSe. Actualmente, se emplea fundamentalmente el bismuto-teluro
como material semiconductor, fuertemente dopado para crear un exceso (tipo-n) o
una deficiencia (tipo-p) de electrones.
12

1
QJ = I
2 R .......................................... Ecuación 9
2

Ecuaciones de las celdas Peltier

Son varios los fenómenos que acontecen dentro de una célula Peltier, pudiéndose
enunciar los efectos Peltier, Thomson y Joule, además de las propias
características de la transmisión de calor. Sin embargo, dichos procesos no son
todos de igual magnitud e importancia. De hecho, en el rango de temperaturas de
los experimentos a realizar, se puede despreciar el flujo calorífico producido por la
circulación de la corriente eléctrica con variación de temperatura, el denominado
efecto Thomson. Teniendo en cuenta esta simplificación, al aplicar una diferencia
de potencial sobre la célula se producirá una cesión de calor por unidad de tiempo
en la cara caliente igual a razón de:

QPC = αABTC I …………………………….. Ecuación 7

Dónde:

QPC = Cesión de calor por unidad de tiempo.
TC = Temperatura de la cara caliente.
αAB = Coeficiente Seebeck
I = Es la corriente que atraviesa el circuito.

Por el mismo efecto, la absorción de calor por unidad de tiempo en la cara fría
será:

QPF = αABTF I …………………………….. Ecuación 8

Dónde:

QPF = Cesión de frío por unidad de tiempo.
TC = Temperatura de la cara fría.
αAB = Coeficiente Seebeck
I = Es la corriente que atraviesa el circuito.

Por otra parte, si se consideran las pérdidas por unidad de tiempo originadas por
el efecto Joule. Las cuales se supone que se reparten a la mitad para cada cara,
estas pérdidas quedarán expresadas por:

TC - TF
QCT = ………………………………………………….…. Ecuación 10
RTH

1 TC - TF
QC = QPF – QJ - QCT = αAB TF I I
2 R . …….…. Ecuación 11
2 RTH

1 TC - TF
QF = QPC – QJ - QCT = αAB TC I I
2 R . …….……. Ecuación 12
2 RTH

Dónde:
QJ = Perdidas por unidad de tiempo.
R = Resistencia eléctrica de la célula Peltier.

La diferencia de temperaturas entre ambas caras producirá un efecto de
conducción térmica entre la cara caliente y la cara fría, cuantificable como:

QCT = Efecto de conducción térmica entre la cara fría y la cara caliente.
RTH = Resistencia térmica entre la cara caliente y la cara fría.
TC = Temperatura cara caliente.
TF = Temperatura cara fría.

El flujo neto calorífico absorbido por la cara fría, será haciendo el balance
energético a:

Mientras que el calor cedido que debe ser disipado a través de la cara caliente
será igual a:

Aplicando el primer principio de la Termodinámica, resultará que la potencia
eléctrica suministrada será igual a la diferencia entre los flujos caloríficos de
disipación y de absorción, concluyéndose lo siguiente:

Pe = QC – QF = αAB (TC – TF) I + I
2 + I2R = αΔTI + I2 R…………… Ecuación 13

La potencia eléctrica es igual a la variación de temperaturas entre las caras más el
efecto Joule. Por otro lado, se ha verificado que para el rango de temperaturas de
las prácticas, el coeficiente de Seebeck y la resistencia térmica de conducción son
prácticamente constantes. Además, el fabricante de las células empleadas,
MELCOR también emplea expresiones similares. [5]

[
5
] http://materias.df.uba.ar/labo4aa2014c1/files/2012/07/Efecto-Peltier.pdf, 2017.
14
http://materias.df.uba.ar/labo4aa2014c1/files/2012/07/Efecto-Peltier.pdf

1.3 PLANTEAMIENTO DE LA PROPUESTA
La solución que aquí se plantea, está basada en la generación de energía por
medio de celdas Peltier. El principio de funcionamiento de estas celdas será
enfocado a recuperar el calor residual de los tableros que controlan a 4
ascensores ubicados en Boulevard Ávila Camacho Número 36, Colonia Lomas de
Chapultepec C.P. 11000; en la CDMX. Cabe señalar, que al implementar las
celdas Peltier en dichos tableros, podremos recuperar un promedio de energía
equivalente a 700 watts de calor residual disipado por los elementos de potencia, y
control instalados dentro del gabinete.
Para obtener la conversión de energía de calor (oC) a energía eléctrica recuperada
(Watts), se colocaran las celdas Peltier en la salida de calor residual, que se ubica
en la parte posterior del tablero y a su vez, se aprovechará el frío generado por el
aire acondicionado que se encarga de enfriar el cuarto de control de los
ascensores.

Una vez que se haya conseguido la conversión de energía arriba descrita, un
micro inversor recibirá la energía de las celdas Peltier en un voltaje nominal de 24
VCD y convertirá éste voltaje a 220 VCA. Éste último voltaje será integrado a la
red eléctrica, con el objeto de cogenerar la energía con la Comisión Federal de
Electricidad.

1.3.1 PRECIO (POLÍTICA DE PRECIO).

Se aplicará un 15% adicional al costo del proyecto, con el objeto de obtener el
correspondiente margen de ganancia.

Se solicitará un 50% de anticipo con el fin de dar inicio al proyecto y el otro 50%,
será cobrado de acuerdo al avance del mismo.

CAPÍTULO 2: ESTUDIO TÉCNICO.

Si quieres ser un verdadero buscador de la verdad, es necesario que
dudes al menos una vez en tu vida, en la medida de lo posible, de
todas las cosas.
René Descartés.

2.1.- LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO

Figura 6. Localización con imagen satelital.
La implementación del sistema de recuperación de energía en base a las celdas
Peltier es para el edificio ubicado en Boulevard Ávila Camacho Número 36,
Colonia Lomas de Chapultepec C.P. 11000; en la CDMX, en la figura 6,
perteneciente a la ciudad de México [6].[
6
]https://www.google.es/maps/place/Eje+Central/@25.6642684,-
104.2931905,2821237m/data=!3m1!1e3!4m5!3m4!1s0x85d1fff500000001:0x7cf92ff317a3ac9d!8m
2!3d19.4297479!4d-99.2025062, 2017.
19
https://www.google.es/maps/place/Eje+Central/@25.6642684,-104.2931905,2821237m/data=!3m1!1e3!4m5!3m4!1s0x85d1fff500000001:0x7cf92ff317a3ac9d!8m2!3d19.4297479!4d-99.2025062
https://www.google.es/maps/place/Eje+Central/@25.6642684,-104.2931905,2821237m/data=!3m1!1e3!4m5!3m4!1s0x85d1fff500000001:0x7cf92ff317a3ac9d!8m2!3d19.4297479!4d-99.2025062
https://www.google.es/maps/place/Eje+Central/@25.6642684,-104.2931905,2821237m/data=!3m1!1e3!4m5!3m4!1s0x85d1fff500000001:0x7cf92ff317a3ac9d!8m2!3d19.4297479!4d-99.2025062

Figura 7. Ubicación de la Delegación Miguel Hidalgo en la Ciudad de México, que es el lugar
donde se encuentran instalados los 4 elevadores del edificio Esmeralda I. [
7
]

[
7
]https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a2/MX-DF-Miguel_Hidalgo.png, 2017.
20
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a2/MX-DF-Miguel_Hidalgo.png

2.2.- DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO
Con la finalidad de determinar los componentes a ser utilizados en la
implementación del sistema de cogeneración de energía eléctrica por medio de
celdas Peltier. Se muestra en la Figura 8, de manera simplificada el diagrama
unifilar del sistema.

Figura 8. Diagrama unifilar de conexiones de la implementación de celdas Peltier en la
cogeneración de energía.

2.3.- TECNOLOGÍA BÁSICA
DIAGRAMA DE FLUJO

Figura 10. Diagrama de flujo. Generación de energía termoeléctrica por medio de celdas Peltier.

Diagrama de Bloques

Figura 11. Diagrama de Bloques.
Temperatura del tablero T
1

Temperatura del aire acondicionado T
2

Gradiente de temperatura en las Celdas Peltier
∆T = T
2
-T
1

Inversor de corriente directa 24 VCD a
corriente alterna 220 VCA
23

GRÁFICA DE GANTT.

Figura 12. Gráfica de Gantt.

Estatus Sem 40 Sem 41 Sem 42 Sem 43 Sem 44 Sem 45 Sem 46 Sem 47 Sem 48
Planeado
Real
Planeado
Real
Planeado
Real
Planeado
Real
Planeado
Real
Planeado
Real
Planeado
Real
Planeado
Real
Actividad
Diagrama de Gantt en base a la implementación de celdas Peltier para la cogeneración de la energía.
Diseño del sistema en base al espacio determinado.
Diseño del diagrama real del sistema de
cogeneración por medio de celdas Peltier.
1
2
3
4
5
6
7
8
Muestreo de sistemas de enfriamiento y de energía
calorífica residual.
Cálculo de cada uno de los elementos del sistema
Elección de proveedores en base a necesidades y
cotizaciones
Dimensionamiento de la implementación
Visita a sitio
Determinar localización y espacio para la instalación
24

ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN.

Figura 13.- Esquema de equipos necesarios para la instalación del sistema.

DIAGRAMA ELÉCTRICO DEL SISTEMA DE COGENERACIÓN.

Figura 14.- Descripción del diagrama eléctrico.

Figura 15.- Nomenclatura de la Figura 14.

2.4.- TECNOLOGÍA DE DETALLE.
2.4.1.- ANÁLISIS DE NECESIDADES DE MAQUINARIA, EQUIPOS Y
SERVICIOS.
Cálculos
Cálculo de la relación gradiente de temperatura ∆T y el Coeficiente de
Seebeck αAB.
Tomando como referencia la ecuación número 13.
Pe = QC – QF = αAB (TC – TF) I + I
2 + I2R = αΔTI + I2 R…………… Ecuación 13

Con respecto a la naturaleza de la implementación de las celdas Peltier, es
importante señalar que no serán utilizadas como elementos de enfriamiento, su
función será la de recuperar la energía residual, por lo tanto, la potencia de
entrada Pe cambiará a Ps, Potencia de salida.
Ps = QC – QF = αAB (TC – TF) I + I
2 + I2R = αΔTI + I2 R…………… Ecuación 14

Por lo tanto, y de acuerdo a la información técnica de las celdas Peltier utilizadas,
se identifican las siguientes variables.

Ps = 200 W
αAB = 0.2520 W /
oC
TC =65.9
oC
TF = 19
oC
I = 6.4 A
R = 2.30 Ω
Cálculo de Potencia generada.
Para la implementación de las celdas Peltier, se tiene considerada la colocación
de un arreglo de celdas con capacidad de 50 Watts cada, configurado para
generar 200 Watts por gabinete. En cada uno de los arreglos.

Figura 16.- Diagrama de conexión de las celdas Peltier.
Vcc = 24 Vcc

W = 200 W

200 W
In = = 8.33 A
24 Vcc

Esto es:
En la Figura 17, se establece la cantidad de energía eléctrica, que podemos
recuperar al momento de aplicar el gradiente de temperatura a las celdas Peltier.
Cálculo de Kwh recuperado.
Se tiene considerado lo siguiente:
1 bimestres de CFE = 61 días hábiles.
Se procede a calcular los kW del sistema, de la siguiente forma:
1 kW = 1000 W
Para obtener los kW se convierten los watts de las celdas Peltier de la siguiente
forma:

Se considera un día normal de trabajo de 8 horas.
Con base a lo anterior obtenemos:

( )( )( )( )
( )

Obteniéndose una recuperación de 292.8 kWh por arreglo de celdas Peltier.
Para la recuperación de energía se tiene considerado una potencia balanceada de
292.8 kWh. Como se muestra en la Figura 18.
Cálculo de corriente de salida Is
La corriente de salida hacia el medidor bidireccional se calcula como sigue:

( )( )
………Ecuación 15.

( )
( ) ( )
……….. Ecuación 16

Ajuste por carga continua = Is + 25% = 0.5919 A

Figura 17. Generación de energía en kWh recuperada.
Potencia de Salida (en el inversor).
De acuerdo a los datos del inversor utilizado se tiene un factor de potencia de
0.96, por lo cual establecemos que la energía de salida del lado de corriente
alterna se calcula como sigue:

…………… …… Ecuación 17.

De acuerdo al triángulo de potencias, vamos contar con una potencia aparente S,
potencia real P y una potencia reactiva QR.

Figura 18. Triángulo de Potencias.
Contamos con:
Factor de potencia = cos φ = 0.96
Por lo tanto:
φ = 16.26
P = 0.2 kW
QR = Cos (16.26) x 0.2 kW = 0.192 kW.
S2 = P2 + QR
2 = 0.22 + 0.1922 = (0.04+0.126864)2 kVA
S = 0.1669 kVA
De acuerdo al cálculo anterior, nuestra energía aparente S = 0.3562 kVA.
Por lo tanto, y de acuerdo a la potencia aparente “S” resultante:.

( )( )

Energía obtenida:
kVAh x $ = 521.48 kVAh x 1.2229 = $637.72
Energía Total obtenida para los tres sistemas:
kVAh x $ = 521.48 kVAh x 1.2229 = $637.72 x 3 = $1,913.16

Cálculo de conductores.
Se tiene una distancia de cableado de 28 pisos hasta la acometida principal, esto
es, si cada piso mide 4 metros, se tiene una distancia a la acometida de = 112
metros para transportar la energía del cuarto de control de motores hasta la
acometida principal.
Caída de voltaje.

……………

………… Ecuación 19

Cálculo de canalizaciones.
De acuerdo a lo establecido en la Tabla 2. Diámetros y Áreas Interiores de Tubos
Conduit y ductos cuadrados,se establece lo siguiente:
Diámetro del cable calibre 12 THW, cuenta con área de 10.64 mm2. Considerando
que dentro del tubo conduit pared delgada se debe ocupar hasta un 40% del área
total del tubo tal como se especifica en la Tabla 2, 78 mm2.
El cálculo arroja 6 conductores calibre 12 y 1 tierra calibre 12, esto es: 6 x 78 mm2
+ 1 x 3.31 mm2 de cable desnudo del número 12. Esto es igual a: 468 mm2 + 3.31
mm2 = 471.3, concluyendo que el diámetro más adecuado es el de 1 ½”. Como
lo establece la tabla 2. No debe exceder un área de 532 mm2.

2.4.2.- DISTRIBUCIÓN DE LA PLANTA
A continuación se muestra la distribución del sistema de cogeneración para
recuperar la energía térmica residual de cuatro tableros de control, los cuales se
instalaran a un costado de cada tablero, tomando como referencia la combinación
del frío procedente del aire acondicionado, y el calor residual de cada tablero de
control.

Figura 19.- Diagrama de distribución de la planta correspondiente al piso 28.

Figura 20. Distribución de la subestación correspondiente a la planta baja.

2.5 NORMAS LEYES Y REGLAMENTOS.
NOM-001-SEDE-2012:
La estructura de la Norma Oficial Mexicana (NOM), responde a las necesidades
técnicas que se requieren para la utilización de la energía eléctrica en las
instalaciones eléctricas en el ámbito nacional y se divide de la siguiente manera:
Título 1 Objetivo y Campo de Aplicación
Con base a la norma se establece las especificaciones y lineamientos de carácter
técnico para satisfacer las instalaciones eléctricas y las condiciones de seguridad
de las personas y de las propiedades, contemplando las siguientes protecciones:
 Descargas Eléctricas.
 Efectos Térmicos.
 Sobrecorrientes.
 Corrientes de Falla.
 Sobretensiones.
Título 2 Referencias
Se recomienda la consulta de los siguientes documentos vigentes:
NOM-008-SCFI-2002, Sistema General de Unidades de Medida.
NOM-063-SCFI-2001, Productos eléctricos-conductores-Requisitos de Seguridad.
Título 3 Lineamientos para la Aplicación de las Especificaciones en las
Instalaciones Eléctricas
El objetivo de las especificaciones es precisar las disposiciones de carácter
técnico que debe cumplir las instalaciones eléctricas.
Título 4 Principios Fundamentales
Los requisitos establecidos en este capítulo tiene el propósito de garantizar la
seguridad de las personas, animales y los bienes materiales contra los riesgos que
puedan resultar por el uso de las instalaciones eléctricas.
Título 5 Especificaciones
Contiene definiciones aplicables a esta NOM.

www.upt.edu.mx ReqLegales Federal

35
http://www.upt.edu.mx/

MARCO NORMATIVO DE LA COGENERACIÓN
Cogeneración: De acuerdo con lo dispuesto en el Artículo 36, Fracción II, de la
LSPEE y en términos del Artículo 103 del Reglamento de la LSPEE, se entiende
por cogeneración:
I. La producción de energía eléctrica conjuntamente con vapor u otro
tipo de energía térmica secundaria, o ambas;
II. La producción directa o indirecta de energía eléctrica, a partir de
energía térmica no aprovechada en los procesos de que se trate.
III. La producción directa o indirecta de energía eléctrica, utilizando
combustibles producidos en los procesos de que se trate.
Marco institucional

La SENER tiene a su cargo la política nacional energética y encabeza el sector
gubernamental del cual forman parte las tres instituciones federales con
atribuciones en el tema de cogeneración, cuyo papel se explica a continuación.

1. Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE)
La CONUEE es un órgano administrativo desconcentrado de la Secretaría de
Energía que goza de autonomía técnica y operativa y tiene por objeto promover la
eficiencia energética y constituirse como órgano de carácter técnico en materia de
aprovechamiento sustentable de la energía.
La CONUEE busca promover la cogeneración de energía en usuarios industriales
de alto consumo energético, mediante las siguientes líneas de acción:
 Difundir las ventajas de la cogeneración, resaltando los beneficios y la
factibilidad de proyectos en empresas de alto consumo energético,
incluyendo las del sector energético.
 Promover la coordinación entre los actores del sector para lograr la
ejecución de proyectos de cogeneración.

2. Comisión Reguladora de Energía (CRE)
En 1995, con la expedición de la Ley de la Comisión Reguladora de Energía
(LCRE), se estableció a la CRE como un órgano administrativo desconcentrado de
la SENER, que cuenta con autonomía técnica, operativa, de gestión y de decisión.
La CRE es la entidad reguladora en materia de energía eléctrica. De acuerdo con
la Ley de la CRE, le corresponde a ésta otorgar y revocar los permisos y
autorizaciones que, conforme a las disposiciones legales aplicables, se requieran
para la realización de actividades reguladas, entre otras, la generación de energía
eléctrica que realicen los particulares, entre los que se encuentran los relativos a
la generación de energía eléctrica bajo la modalidad de cogeneración. A partir de
la entrada en vigor de la LAERFTE, la CRE tiene la atribución de expedir las
normas, directivas, metodologías y demás disposiciones administrativas que
regulen la generación de energía eléctrica con sistemas de cogeneración, de
acuerdo con las definiciones del Artículo 36, Fracción II de la LSPEE, siempre y
cuando dichos sistemas cumplan con los criterios de eficiencia que para tal efecto
36

establezca la CRE. Adicionalmente, el Reglamento de la LAERFTE, señala que la
CRE expedirá los criterios, metodologías y directrices a que se sujetarán los
modelos de contrato, procedimientos de intercambio de energía y sus
correspondientes sistemas de compensaciones para proyectos de cogeneración
eficiente.

3. Comisión Federal de Electricidad (CFE)

Con base en la LSPEE, la CFE es un organismo público descentralizado del
Gobierno Federal con personalidad jurídica y patrimonio propio que tiene la
facultad de generar, conducir, transformar, distribuir y abastecer toda la energía
eléctrica que tenga por objeto la prestación de servicio público de energía eléctrica
dentro del territorio nacional. El servicio público de energía eléctrica comprende:
 La planeación del SEN.
 La generación, conducción, transformación, distribución y venta de energía
eléctrica.
 La realización de todas las obras, instalaciones y trabajos que requieran la
planeación, ejecución, operación y mantenimiento del SEN.

A pesar de que la cogeneración en sí misma no está considerada como servicio
público, la LSPEE prevé que la planeación del SEN, la conducción,
transformación, distribución, venta de energía eléctrica y la realización de todas
las obras, instalaciones y trabajos que requieran la planeación, ejecución,
operación y mantenimiento del SEN corresponden a la Nación. Por lo anterior,
además de generar energía eléctrica para el suministro de los usuarios, la CFE
debe asumir la responsabilidad de realizar las actividades antes mencionadas, las
cuales incluyen la interconexión de los sistemas de cogeneración al SEN y el
proporcionar servicios de transmisión para la energía eléctrica generada en estos
sistemas.

COGENERACION EFICIENTE

La cogeneración eficiente se define como la generación de energía eléctrica
conforme a lo establecido en la Fracción II del Artículo 36 de la LSPEE, siempre
que el proceso tenga una eficiencia superior a la mínima establecida por la CRE
(ver Tabla 1). Debido a lo anterior, la CRE tiene la atribución de establecer los
criterios mínimos de eficiencia. Por lo anterior, el 22 de febrero de 2011 se publicó
en el Diario Oficial de la Federación la resolución por la cual la CRE expide la
Metodología para el cálculo de la eficiencia en los sistemas de cogeneración
eléctricay los Criterios para determinar la “Cogeneración Eficiente”.

Es importante aclarar que esta Metodología es aplicable a los sistemas de
cogeneración que soliciten ser considerados como de cogeneración eficiente,
salvo las siguientes excepciones, que recibirán los beneficios aplicables a las
37

energías renovables sin tener que cumplir con los criterios previstos en esta
Metodología:

 Los sistemas con capacitad total instalada menor o igual a 30 kW (pequeña
escala).
 Los sistemas que utilicen para la generación de energía eléctrica, la energía
térmica no aprovechada en el proceso o los combustibles generados en el
proceso y no requieran para ello del uso adicional de combustible fósil .

CENACE Centro Nacional de Control de
Energía
CFE Comisión Federal de Electricidad
CONAGUA Comisión Nacional del Agua
CONUEE Comisión Nacional para el Uso
Eficiente de la Energía
CRE Comisión Reguladora de Energía
INEGI Instituto Nacional de Estadística y
Geografía
LAERFTE Ley para el Aprovechamiento de
las Energías Renovables y el
Financiamiento de la Transición
Energética
LCRE Ley de la Comisión Reguladora de
Energía
LSPEE Ley del Servicio Público de
Energía Eléctrica
REDOSEN Reglas del Despacho y Operación
del Sistema Eléctrico Nacional
Semarnat Secretaría de Medio Ambiente y
Recursos Naturales
SEN Sistema Eléctrico Nacional
SENER Secretaría de Energía

www.cogeneramexico.org.mx>menu
38

2.6.- SELECCIÓN Y ESPECIFICACIÓN DE MAQUINARIA, EQUIPO,
SERVICIOS, MATERIALES VARIOS.
ELEMENTO PROVEEDORES
Celdas Peltier

Biozima, SINOTEK, ULTRAPRESICIÓN
DELTA.
Fusibles

Cooper Bussman, Omega,
Medidor Bidirecional
Circuitor servicios energéticos, Distribudora
Solar, Elirmex
Diodos

Circuittor, Steren,
Micro Inversor
Solar city, Distribuidora solar, Enlight, Kenjitsu
Latam.

PROPUESTA DE PROVEEDORES.
Elemento
Propuesta
1/Proveedores
Propuesta
2/Proveedores
Propuesta
3/Proveedores
Microinversor

250 Watts

250Watts

250 Watts
Precio: 3,275.00 3,147.83 3,610.00

Módulo Peltier

50 W

50 W
Precio: 3 x 6 x 120.00 3x6x140.00 3x6x130.00

Tubo de 1 1/2”
pared delgada.

Precio: 1 m = 88.10 1 m = 140.00 1 m = 125.00
39

Elemento
Propuesta
1/Proveedores
Propuesta
2/Proveedores
Propuesta
3/Proveedores

Cable de
alimentación #
12

Tools depot /
Sanelec
100 m

Azteca Libre
100 m

Condumex
100 m =
1247.00
Precio $: 697.00 549.00 1,247.00

Cajas ovales
tipo OLB de 1
½”.

Rawelt

Crouse Hinds

Newcond
Precio $: $175.00 $120.00 $185.00

Interruptor
termomagnético
de 3 x 20 A

BTICINO

SIEMENS

BKN
Precio $: $225.00 430.00 $580.00

Diodo de no
retorno de 10 A

Precio $: $35.00 x 3 $37.00 x 30 $167.70 x 30

Medidor
trifásico

$1499.00 $4,900.00 $3,299.00
40

Proveedores seleccionados.
Elemento Propuesta
1/Proveedores
Propuesta
2/Proveedores
Propuesta
3/Proveedores

Microinversor

250Watts

Precio: 3,147.83

Módulo Peltier

50 W

Precio: 3x4x140.00

Tubo de 1 1/2”
pared delgada.

Precio: 1 m = 88.00

Cable de
alimentación #
12

Tools depot /
Sanelec
100 m

Precio $: 697.00

Elemento

Propuesta/1
Proveedores

Propuesta/2
Proveedores

Propuesta/3
Proveedores
Cajas ovales
tipo OLB de 1
½”.

Rawelt

Precio $: $175.00

Interruptor
termomagnético
de 3 x 10 A

BTICINO

Precio $: $225.00

Diodo de no
retorno de 10 A

Precio $: $37.00 x 3

Medidor
trifásico

$3,299.00

Criterio de selección de proveedores.
Microinversor.- Para la selección del microinversor es importante recalcar el
tiempo de entrega del equipo, el factor de potencia que es del 0.96. Y el certificado
NOM, que proporciona la marca.
Módulo Peltier.- En el caso de los modulos Peltier, es importante recalcar que
será armado con disipadores de calor para conseguir conservar la celda. La
42

potencia de 50 Watts y la facilidad en conseguirla, el precio y la potencia son
elementos importantes para seleccionar a este proveedor.
Tubo conduit.- El tubo conduit es importante seleccionarlo de pared gruesa,
debido a la tensión a la que puede ser sometido el material al momento de un
sismo.
Cable de alimentación.- La calidad del cable es importante, por lo cual, no
obstante el precio del cable Argos nos representa una ventaja competitiva al
momento de seleccionar al proveedor, por precio y calidad del producto.
Cajas Ovales.- La cajas ovales, son importante para certificar la instalación en
caso de se solicite sea inspeccionada por CFE, esta marca cuenta con UL y CSA.
Y nos proporciona certificados de calidad.
Interruptor termo magnético.- Se elige Bticino por sus características técnicas y
precio, es la mejor opción para separar de la línea al sistema de cogeneración.
Medidor Trifásico.- El medidor trifásico, cuenta con las características necesarias
para monitorear la energía en un sentido y en otro.

CAPÍTULO 3: ESTUDIO ECONÓMICO

Si estás pensando en postergar algo porque tienes miedo o crees que te
faltan otras cosas para hacerlo, te equivocas.
Si tu corazón lo dicta y lo deseas con el alma, hoy es el momento perfecto
para lanzarte y vivir tus anhelos.

Leo Pavoni

44
http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi58_XCq_PXAhVmImMKHfCQCuUQjRwIBw&url=http://cafebiz.vn/bo-ke-hoach-dau-tu-neu-phuong-an-huy-dong-10-trieu-ty-dong-cho-de-an-tai-co-cau-nen-kinh-te-20170614195453302.chn&psig=AOvVaw1cPwLZijTl-8TUa2lcMkv0&ust=1512579178907803
http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi58_XCq_PXAhVmImMKHfCQCuUQjRwIBw&url=http://cafebiz.vn/bo-ke-hoach-dau-tu-neu-phuong-an-huy-dong-10-trieu-ty-dong-cho-de-an-tai-co-cau-nen-kinh-te-20170614195453302.chn&psig=AOvVaw1cPwLZijTl-8TUa2lcMkv0&ust=1512579178907803

3.1.- OBJETIVOS GENERALES Y ESTRUCTURACIÓN DEL
ESTUDIO ECONÓMICO.
El estudio económico es la figura sistemática y ordenada con la información de
carácter monetario, resultado de la investigación y análisis del capítulo anterior.
En éste capítulo se estudia la factibilidad del proyecto de recuperación de energía
por medio de celdas Peltier.
3.2.- DETERMINACIÓN DE LOS COSTOS.
Comprende el monto de los recursos económicos necesario para llevar a cabo el
proyecto previo a su puesta en marcha, así como la determinación del costo total
requerido en su periodo de ejecución.

Tabla 01.- Costo del Proyecto.
Costo Precio Total
Pza m Hra $MN $MN $MN
1 Celda Peltier de 50 Watts a 12 VCD 12 220 258.82 3,105.88
2
Convertidor de CD a CA 12 VCD A
127-277 VCA Monofásico de 300
Watts
3 3,147.83 3,703.33 11,109.99
3
Medidor de CA 127-227 VCA
Trifásico
1 3,299.00 3,881.18 3,881.18
4 Diodos 6 35.00 41.18 247.06
5 Tubería de 1 1/2" pared gruesa 112 89 104.71 11,727.06
6 Coples de 1 1/2" 10 35 41.18 411.76
7 Caja oval de 1 1/2" OLB 9 175 205.88 1,852.94
8 Caja oval de 1 1/2" OLL 5 175 205.88 1,029.41
9
Cable de alimentación calibre 12
AWG
750 6.97 8.20 6,150.00
10 Cable de tierra calibre 12 120 4.5 5.29 635.29
11 Personal Técnico Especializado 90 66.67 78.44 7,059.18
12
Interruptor termomagnético de 3 x
15 Amperes1 254.00 254.00
13 Servicio de Ingeniería 1 15,000.00 15,000.00 15,000.00
Subtotal 62,463.75
IVA 13,010.44
Pda Descripción
Cantidad
45

3.3.- CRONOGRAMA DE INVERSIONES.
El cronograma aquí descrito, define el porcentaje de inversión que se realizará al
desarrollar el proyecto. Describiendo cada partida de acuerdo a los tiempos de
entrega de los productos que se requerirán.
Es importante que al momento de iniciar el proyecto, se desarrolle una ingeniería
de detalle, partiendo de la ingeniería básica del sistema, con la cual se planteó el
proyecto de recuperación de energía residual.

Tabla 02.- Flujo de caja del Proyecto.

M3
S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4 S5
1 Celda Peltier de 50 Watts a 12 VCD 4.97%
2
Convertidor de CD a CA 12 VCD A
127-277 VCA Monofásico de 300
Watts
17.79%
3
Medidor de CA 127-227 VCA
Trifásico
6.21%
4 Diodos 0.40%
5 Tubería de 1 1/2" pared gruesa 18.77%
6 Coples de 1 1/2" 0.66%
7 Caja oval de 1 1/2" OLB 2.97%
8 Caja oval de 1 1/2" OLL 1.65%
9
Cable de alimentación calibre 12
AWG
9.85%
10 Cable de tierra calibre 12 1.02%
11 Personal Técnico Especializado 11.30%
12
Interruptor termomagnético de 3 x
15 Amperes
0.41%
13 Servicio de Ingeniería 24.01%
Pda Descripción
M1 M2
46

RETORNO DE INVERSIÓN DEL PROYECTO.

Costo del proyecto:
$62,463.75
Generación de energía bimestral (61 días):
$1,913.36
Generación Anual de Energía residual recuperada:
$1,913.16 x 6 meses= $11,478.96
Retorno de Inversión en Años:

……….…Ecuación 14.

Tiempo de Recuperación de la inversión.
RDI = 5.44 Años = 5 Años, 5 meses

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
o La opción de recuperación de energía residual por medio de celdas Peltier,
es una opción que puede resultar adecuada para un sistema que no
requiera de mucho cableado y tubo conduit para llegar a la acometida
principal, ya que esto incrementa en un 34.24% del total del proyecto
(debido a la altura en que se encuentra el sistema de recuperación de
energía aquí planteado).

o En base al resultado del retorno de inversión del proyecto, podemos
observar que puede ser considerado como sustentable debido a que en 5
años 4 meses, aproximadamente, podemos recuperar la inversión utilizada
en el proyecto, y que después de éste tiempo, se obtendrá un periodo de
duración de los equipo de aproximadamente 17 años y 10 meses
adicionales a los calculados en el retorno de inversión. Esto considerando
que las celdas Peltier cuenta con un periodo de duración de 22.83 años
(200,000 horas). Aunque de acuerdo a norma, será necesario reducir el
tiempo de duración de los equipos que presenta menor durabilidad, en éste
caso serían los cables de conexión. Originado esto por el envejecimiento de
los aislantes. Por ello, se requerirán el cambio de los mismos, en 14.62
años.

o Debido al bajo costo de las celdas Peltier, sería factible utilizarlas en
proyectos similares, como son: Recarga de baterías en autos eléctricos,
Cogeneración de energía residual aplicada a cocinas industriales,
recuperación de energía residual de paneles solares.

o Es importante el armado del prototipo para conciliar los valores aquí
descritos, esto determinará una nueva faceta del proyecto, que es la del
diseño del dispositivo que será acoplado a los tableros de control.

TABLAS ESTADÍSTICAS
La cogeneración se define como la producción de energía eléctrica producida
conjuntamente con vapor u otro tipo de energía térmica secundaria, o ambos;
cuando la energía térmica no aprovechada en los procesos, se utilice para la
producción directa o indirecta de energía eléctrica; o en el caso que se utilicen
combustibles producidos en sus procesos, para la generación directa o indirecta
de energía eléctrica.
Los sistemas de cogeneración de energía eléctrica alcanzan una eficiencia muy
superior a los sistemas convencionales mediante el aprovechamiento de calor de
desecho no aprovechado, y reducción de pérdidas de energía innecesarias,
permitiendo lograr ahorros considerables a mediano y largo plazo. La Figura 21,
ilustra un ejemplo de los beneficios que se obtienen al realizar un proyecto de
cogeneración.

Figura 21. Comparación del aprovechamiento de la energía primaria entre un sistema tradicional
de generación de electricidad y un sistema de cogeneración.

TABLAS.

Tabla 03. Tarifa H-M de CFE.

Tabla 04.- Área promedio de los conductores eléctricos de cobre suave o recocido, con aislamiento
TW, THW, y Vinanel 900.

Tabla 05.- Diámetros de áreas interiores de tubos conduit y ductos cuadrados.

FUENTES DE CONSULTA.

Título Autor Edición Editorial Año
Manual de Fórmula
de Ingeniería
Rafael García
Díaz
2ª
Grupo
Noriega
1999
Energía Solar
Fotovoltáica
Miguel Pareja
Aparicio
2ª Marcombo 2010
Instalaciones
Eléctricas Practicas
Ing. Becerril L.
Diego Onésimo
11a N/D 1999
Google Larry Page
Google
chrome
Internet 2017

Tabla 06.- Fuentes de Consulta.

GLOSARIO.
Calor residual.- Energía excedente que pasa de un cuerpo a otro y que causa la
dilatación y los cambios de estado de la materia.
Canalizaciones.- Medio por el cual, se introduce un conductor para proteger tanto
el aislamiento como al conductor que alberga.
Cámara termográfica.- Dispositivo electrónico óptico que filtra la luz ultravioleta
con el objeto de desplegar la temperatura que emana de un cuerpo.
Celdas Peltier.- Dispositivo electrónico que al aplicar un voltaje de 12 Vcc entre
sus bornes puede enfriar una de sus caras y calentar la otra por medio del
desplazamiento de electrónicos entre diodos p, n, p.
Cogeneración.- Producción simultánea de calor útil y electricidad a partir de un
mismo combustible o fuente de energía primaria.
Diodos.- Dispositivos electrónicos que permiten desplazar la corriente en un solo
sentido de acuerdo
Entropía.- Es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede
utilizarse para realizar un trabajo, y que en consecuencia se pierde.
Inversor.- Dispositivo electrónico que nos permite convertir la corriente directa 12
Vcc, 24 Vcc a corriente alterna 127 Vca y 220 Vca. Con la capacidad de sensar el
voltaje de lado de alterna con el objeto de introducir voltaje a la línea como para no
hacerlo en caso de no contar con éste.
Medidor Bidireccional.- Es un dispositivo que nos permite determinar la cantidad
de energía consumida y generada hacia la red eléctrica de la compañía
suministradora de energía.
Retorno de inversión.- Es el estudio que nos permite visualizar el tiempo en que
los recursos económicos en un proyecto, pueden recuperarse en un tiempo que
nos permita determinar su viabilidad o bien la detención del mismo.
Sustentabilidad.- Es aquello que se puede sostener a lo largo del tiempo sin
agotar sus recursos o perjudicar el medio ambiente.
Termo eléctrico.- Es un dispositivo que tiene la capacidad de generar electricidad
por medio del calor aplicado.

NOTACIÓN.
Nomenclatura Descripción Unidad Nombre
Q Energía Calorífica Producida BTU British Thermal Unit
I Corriente A Amperes
R
Resistencia eléctrica del
conductor
Ω Resistencia
t Tiempo s Segundos
EAB
Fuerza termo Electro Motriz
(f.t.e.m) entre los puntos A y B
V Volts
αAB Coeficiente de Seebeck Ω /
oC
A y B
Potencias termoeléctricas
absolutas
W Watts
T Temperatura. oC Grados Centigrados
Qc Potencia de enfriamiento. BTU British Thermal Unit
Qh Potencia calorífica. BTU British Thermal Unit
Ǭ
Potencia calorífica
intercambiada
BTU British Thermal Unit
πAB Coeficientede Peltier
J Flujo de corriente eléctrica A Amperes
P ent
Es la potencia suministrada por
la fuente.
W Watts
ΔT Gradiente de temperatura oC Grados Centígrados
Ǭ
Trabajo interno que se debe a
la conducción térmica

Joules
k
Coeficiente de conductividad
térmica de cada elemento por
unidad de longitud a través de
unidad de sección

BTU /
s

British Thermal Unit /
segundo
TC
Temperatura de la cara
caliente.
oC Grados Centígrados
QPF
Cesión de frío por unidad de
tiempo.
BTU British Thermal Unit
TF Temperatura de la cara fría.
oC Grados Centígrados
QJ Perdidas por unidad de tiempo. BTU British Thermal Unit
QCT
Efecto de conducción térmica
entre la cara fría y la cara
caliente.
BTU British Thermal Unit
RTH
Resistencia térmica entre la
cara caliente y la cara fría
Ω Resistencia
RDI Retorno de Inversión A. Años

ANEXO 1: ESPECIFICACIÓN DE CELDAS PELTIER TEC-12706

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55

ANEXO 02.- DETALLE DE INTERCONEXIÓN DE MICRO
INVERSORES