FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE TERMOPILAS PARA USO SOLAR Proyecto presentado por: Facultad de Ciencias CCADET Instituto de Física Instituto de Geofísica

ESTADO ACTUAL El Taller de Meteorología de la Facultad de Ciencias mide desde el año 2004 sistemática parámetros atmosféricos: radiación global, radiación reflejada, radiación infrarroja global, radiación infrarroja reflejada, radiación directa y difusa vía sombreado así como radiación ultravioleta global. El Taller ha iniciado un ambicioso programa de investigación, adaptación, fabricación e instrumentación de sensores fiables de bajo costo relacionados con los diferentes fenómenos ambientales de interés. Este programa contempla el desarrollo de sensores económicos a base de LED’s y termopilas. Asesorado por el CCADET y por el Instituto de Física ha iniciado su participación en el diseño de prototipos de termopilas y celdas solares.

El Laboratorio de Materiales y Sensores del CCADET, dirgido por el Dr El Laboratorio de Materiales y Sensores del CCADET, dirgido por el Dr. José Manuel Saniger Blesa, ha venido desarrollando técnicas de fabricación y caracterización de materiales sensibles a radiación electromagnética exitósamente desde hace mas de 25 años. El Dr. Saniger coordina el nuevo Taller de Materiales de la Facultad de Ciencias. El Laboratorio de Vacío y Películas Delgadas del Instituto de Física, dirigido por el Dr. Fernando Alba, ha desarrollado técnicas de deposición de películas delgadas en vacío y ultra-alto vacío. Ha desarrollado técnicas de construcción y caracterización de Celdas Solares. El Dr. Héctor Crúz-Manjarrez, integrante de este Laboratorio, coordina el nuevo Taller de Vacío de la Facultad de Ciencias. En el Taller de Vacío se cultivan varias técnicas de crecimiento de películas delgadas y recubrimientos lo que ha permitido preparar prototipos de celdas solares y recubrimientos de baja emisividad para control solar.

RELEVANCIA Y PERTINENCIA La relevancia del proyecto planteado se enmarca en la elaboración de instrumentos de medición con aplicaciones a la meteorología, a la prueba de materiales y al monitoreo de fuentes luminosas. Los detectores basados en termopilas tienen voltajes proporcionales a la cantidad de radiación incidente.Además tienen baja impedancia y, por tanto, los circuitos asociados son menos susceptibles a ser alterados por radiaciones externas y por ruido eléctrico. Las termopilas están compuestas por varios termocoples de manera que si se mantienen las uniones “frías” a temperaturas mas o menos estables y se exponen las uniones “calientes” a radiación proveniente del exterior podemos medir tanto temperaturas absolutas a distancia de otros cuerpos como la cantidad de radiación incidente. 4

Poder fabricar y caracterizar sensores de radiación solar basados en fenómenos bien conocidos, fiables y económicos es un paso fundamental para el estudio y desarrollo de amplias áreas del ámbito atmosférico. El uso de sensores solares baratos sin los cortes espectrales adecuados puede conducir a la medición errónea de parámetros atmosféricos. Algunos de los usos que se pueden dar a las termopilas son: detección de nubes, medición de la cantidad de radiación térmica espectral a distancia, medición de temperaturas absolutas a distancia,..., En el campo de la meteorología y la radiometría, el uso de estos sensores nos ofrece la posibilidad de medir adecuadamente el recurso solar local con el fin de aplicarlo al diseño y dimensionamiento de equipos basados en la energía solar. La creación y desarrollo de tecnología propia adecuada a las necesidades locales puede influir en el desarrollo y uso de tecnologías con aprovechamiento de energías alternas.

Las hipótesis principales con las que trabajaremos son: PROBLEMAS E HIPÓTESIS La instrumentación fiable para detectar radiación solar resulta onerosa por lo que limita fuertemente su uso en actividades de inventarios energéticos, aplicación y desarrollo. Esta instrumentación no es fabricada en el país por falta de conocimiento técnico y el desconocimiento del “know how”. Las hipótesis principales con las que trabajaremos son: Las técnicas de crecimiento de películas delgadas por evaporación y por “sputtering” son aplicables a la fabricación de termopilas permitiendo la creación de sensores termoeléctricos confiables y económicos. Las técnicas de caracterización radiométricas son aplicables, si se las adecua correctamente, a los detectores termoeléctricos para uso solar.

OBJETIVOS Investigar los materiales idóneos del sustrato, de las películas delgadas y del recubrimiento. Determinar los parámetros óptimos de preparación usando los métodos de evaporación térmica a vacío y “sputtering”. Investigar diferentes arreglos geométricos e intentar determinar la existencia de un grupo óptimo de éstos. Investigar cuáles son los tamaños óptimos que permite generar señales altas. En la caracterización de las termopilas se utilizará el método de caracterización radiométrica. Los objetivos en esta fase son determinar las diferentes características de cada una de las selecciones de materiales, geometrías y métodos de preparación. Obtener patentes de las termopilas y de las técnicas de fabricación y caracterización desarrollados.

METAS Publicación de boletines internos trimestrales con la información generada. Servir de apoyo para estudiantes de diferentes carreras para la elaboración de su servicio social y tesis de licenciatura. Determinar las técnicas óptimas para la fabricación de termopilas que permitan a otros grupos de trabajo la elaboración de sensores para otros usos. Formación de técnicos y especialistas en el proceso de planeación, medición, procesamiento, validación y evaluación de técnicas de deposición de películas delgadas y fabricación de sensores solares. Crear un grupo de técnicos en la fabricación de termopilas fiables y económicas. Obtener patentes por diseños específicos y por el proceso de fabricación de termopilas.

FORMACIÓN DE UN GRUPO TRANSDICIPLINARIO DE INVESTIGACIÓN EN SENSORES TERMOELÉCTRICOS PARA USO SOLAR INTEGRADO POR: Taller de Meteorología de la Facultad de Ciencias. Taller de Materiales de la Facultad de Ciencias. Taller de Vacío de la Facultad de Ciencias. Laboratorio de Materiales y Sensores del CCADET. Laboratorio de Óptica del CCADET. Laboratorio de Vacío y Películas Delgadas del IFUNAM. El ORS del Instituto de Geofísica Consolidar el grupo de trabajo para generar información básica para el desarrollo de sensores para aplicación solar.

FORMACIÓN DE RECURSOS HUMANOS Este proyecto prevé trabajar con estudiantes becados por el propio proyecto tanto de licenciatura como de postgrado. Una de las tareas prioritarias en todas las etapas será, pués, promover el trabajo que se realiza para la integración de mas estudiantes. Parte del personal que sustenta este proyecto se encuentra dentro de la planta académica de los Postgrados en Física y en Ciencias de la Tierra por lo que se trabajara en promover cursos y temas relacionados con los objetivos de este trabajo. Los estudiantes egresados de licenciatura con los cursos extracurriculares generados por este proyecto y/o su estadía en cualquiera de las etapas del mismo, tendrán la capacitación de un técnico altamente calificado que podrá realizar tareas en el diseño y fabricación de sensores termoeléctricos para usos diversos.

PARTICIPANTES Personal de tiempo completo: Gerardo Ruíz Chavarría (Prof. Titular “A”- Responsable- FC) Germán Jaber Ferretis (T. A.- Co-Responsable- FC) Héctor Crúz-Manjarrez Flores-Alonso (T.A.-P. Delgadas- IF) José Manuel Saniger (Inv. Titular- P. Delgadas y Carac.- CCADET). Agustín Muhlia Velásquez (Inv. Asociado-Asesor- IG) Amando Leyva Contreras (Inv. Titular-Asesor- IG) Mauro Valdéz Barrón (T. A.- Radiometría- IG) Ernesto Jiménez (T. A.- Radiometría- IG) Estudiantes del Licenciatura y Postgrado L.C.A. Olivia Rodríguez López (becaria) José Fidel Urquiza Yllescas (becario) Ismael Isidro Hernández (becario) Olivia Urdapilleta Leyva (becaria- Licenciatura Física) Estela Josefina Urquiza Almanza (becaria- Licenciatura Física) Carmen Crúz García (becaria- Licenciatura Física)