En los últimos años la termoelectricidad ha avanzado enormemente, motivo de ello
es que hoy en ida la mayoría de la gente ha oído hablar sobre este fenómeno o al
menos ha visto alguna aplicación en el mercado, así por ejemplo las neveras
portátiles.
Cada día hay mayor interés en esta rama de la física, las aplicaciones son
tantas como la imaginación pueda desarrollarlas, especialmente en aplicaciones
en las cuales un control de la temperatura es necesario. El hecho de poder
refrigerar o calentar una zona concreta y de reducido tamaño permite abrir una
gran puerta a la termoelectricidad.
Es muy posible que a medio plazo y teniendo en cuenta que los semiconductores se
mejoran día a día, la posibilidad de mantener una temperatura idónea dentro de
las viviendas sea posible gracias a esta tecnología, utilizando para ello la
energía solar como base.
En los Estados Unidos, el centro NIST (National Institute of Standars and
Technology) en la localidad de Maryland, Virginia, ha desarrollado un tipo de
semiconductores N-P, partiendo de polvos químicos, los resultados han sido muy
satisfactorios, aunque no sabemos porque razones este proyecto se ha decidido
archivar, sabiendo de antemano que es muy rentable.
La empresa ASARCO de New York, constantemente esta trabajando en la obtención de
nuevos y mejores metales semiconductores, para aplicaciones termoeléctricas,
para mayor información pueden contactar a Miss Vivian Paz. Fax: (212) 510.2122
USA.
Todo ello nos conduce a pensar que el futuro es prometedor, las expectativas son
muy buenas aunque el camino es largo, aunque estamos seguros de que el interés
en nuestro país es cada vez mayor por parte de los estudiantes así como de las
empresas por mejorar sus productos con tecnología punta.
En el mercado hay ya una serie de empresas trabajando en este sector y con
grandes inquietudes de mejorar sus productos. Así por ejemplo en Barcelona se
están fabricando Hornos Bacteriológicos mediante este sistema. En un futuro no
muy lejano es de desear el poder desarrollar un acondicionador de aire para
automóviles, el poder refrigerar el turbo, aire acondicionado portátil, un
chaleco refrigerado, un zapato que soporte todo tipo de climas, cajas de
transportes autorregulables térmicamente, en fin mil y una aplicación que aun
esta por desarrollarse.
Preguntas mas frecuentes sobre Termoelectricidad
1. ¿Cómo trabaja ésta Tecnología?
El concepto básico. detrás de la tecnología termoeléctrica de refrigeración, es
el efecto Peltier, descubierto en Francia en 1834 por Chales A. Peltier.
2. ¿Porque hacen falta dos tipos de materiales P y N ?
Para bombear una cantidad de calor importante es necesario utilizar mas de una
pareja de semiconductores, optimizando el diseño para cada caso. En uno de los
materiales "N" hay un flujo de electrónes, mientras que en el tipo "P" hay un
flujo de agujeros que en su conjunto permiten absorber y extraer el calor de un
lado al ótro.
3. ¿Los semiconductores P y N trabajan como diodos?
Una céula termoeléctrica no puede actuar como un diodo, la unión conducirá en
ambos polaridades eléctricas y no hay una caida de tensión fija a traves de la
unión.
4. ¿Cómo está configurado un sistema termoeléctrico típico?
Una de las aplicaciones más comunes típicas es la de refrigerar un habitáculo o
bien una nevera portátil. El objetivo es el absorber calor del interior del
habitáculo, bomberalo a traves del intercambiador de calor hacia el exterior del
mismo. Normalmente esto se realiza a través de un radiador de calor en el
interior del habitáculo, otro exterior, y unos ventiladores que ayuden a
favorecer el intercambio térmico, actuando como bomba de calor en el interior
del diseño la célula de efecto Peltier.
5. ¿Se puede utilizar un sistema termoeléctrico para calentar, también?
Sí, una de las cualidades de ésta tecnología es simplemente cambiar la polaridad
en la tensión aplicada, se obtiene el calentamiento con una polaridad y la
refrigeración con la ótra.
De hecho debido a las propiedades de las células Peltier se obtienen mejores
rendimientos para calentar que para enfriar.
6. ¿Se utilizan los sistemas termoeléctricos solo para enfriar o calentar el
aire?
No, éstos sistemas han sido diseñados para bombear calor tanto de líquidos como
de sólidos.
7. ¿Tengo que utilizar radiadores de calor en mis diseños?
Bien se caliente o enfríe una masa, Ud. deberá de emplear alguna formula para
evacuar el calor o bien almacenarlo, o disipar el calor acumulado a otro medio.
Si no se tiene en cuenta éste factor pueden llegar a quemarse las células.
8. ¿Se pueden sumergir éstas células Peltier?
Solo para limpiarse pero jamás si están conectadas. Las células termoeléctricas
siempre han de estar secas cuando se están utilizando para evitar un
cortocircuito.
9. ¿Que tipo de productos normalmente utilizan ésta tecnología?
Existe un gran número y variedad de aplicaciones que utilizan ésta tecnología,
desde las conocidas neveras portátiles y fuentes de agua refrigerada, así como
aplicaciones láser, equipos de test, instrumentación, etc. El mero hecho de ser
compatibles con la tensión del automóvil, facilita crear aplicaciones para éste
sector y trabajos industriales.
10. ¿Porque deseo utilizar un sistema termoeléctrico en lugar de un sistema
basado en la tecnología del compresor?
Ambas tecnologías tienen sus ventajas y desventajas, pero en el campo en el que
realmente destaca la termoelectricidad es en aplicaciones pequeñas o puntuales ,
en las que es inviable totalmente con un sistema de compresor.
11. ¿Hay aplicaciones en las que los compresores tengan mayor sentido de ser
utilizados?
Si, generalmente en grandes aplicaciones en las que hace falta mucha potencia y
la refrigeración puntual no tiene lugar.
12. ¿Para aplicaciones solo de calor, que ventajas tienen las células
termoeléctricas frente a las resistencias convencionales?
Las células termoeléctricas no solo proveen calor sino que además bombean calor
sobre una masa deseada, lo que las convierte en una alternativa mucho más
eficiente que una resistencia convencional.
13. ¿Porque deseo utilizar la tecnología termoeléctrica en lugar de un sistema
pasivo de refrigeración (radiador y ventilador únicamente)?
Con sistemas de refrigeración pasiva, en el mejor de los casos solo se puede
conseguir elevar la temperatura algo por encima del ambiente, con los sistemas
termoeléctricos al igual que con los compresores se puede bombear calor y
conseguir temperaturas muy por debajo de la temperatura ambiente.
14. ¿Que temperaturas de frio se pueden alcanzar con éstas células?
Ello depende de muchos factores, tales como la temperatura ambiente, la
naturaleza de la masa a refrigerar, optimización del sistema termoeléctrico,
optimización de los radiadores de calor, y si en un caso utilizamos células de
uno o varios niveles, se pueden alcanzar temperaturas de hasta -130ºC por debajo
de la temperatura ambiente.
15. ¿Se pueden aplicar células termoeléctricas para conseguir un mayor Delta T?
Si, aunque no es lo mismo que el utilizar células de un solo nivel, una sobre la
otra, ya que una de ellas debe de ser capaz de bombear el calor propio más el
generado y disipado por la ótra célula, por ello deben de emplearse células más
pequeñas para tener la capacidad de bombear el calor en las células de la base.
16. ¿Qué tan calientes pueden llegar a estar éstas células?
Esta en función de la temperatura de las soldaduras utilizadas en su
fabricación. En unos casos se utilizan soladuras a 138ºC y en otras soldaduras a
193ºC, por ello es muy importante mantener las zonas calientes muy por debajo de
las temperaturas de soldadura. Si las células se llegasen a recalentar por
encima de ésta temperatura podrían llegar a destruirse.
17. ¿Se pueden utilizar éstas células para temperaturas criogénicas?
Si, pueden utilizarse aunque suelen ser menos eficientes en esta línea de
trabajo, no así si se utilizan sistemas mixtos entre compresor y células
Peltier.
18. ¿Hace falta refrigerar una forma cilíndrica, puedo mandar a fabrica una
célula Petier con forma cilíndrica?
Para ello se ha de tener en cuenta un diseño cilíndrico de un adaptador que
disponga de una superficie plana para adaptar a la célula y otra superficie
cilíndrica para adaptar al cilindro o pieza de destino.
19. ¿Qué tan grandes pueden ser éstas células?
Teóricamente no hay límites, pero en la práctica hay algunas restricciones.
Existen problemas de contracción y expansión, los costos tienden a mantener el
tamaño reducido. El tamaño más grande no suele pasare de 50x50 mm cuadrados y 4
mm de espesor.
20. ¿Qué tan pequeñas pueden llega a ser éstas células?
Así como en tamaños mayores hay unas restricciones, para pequeños tamaños
también existen unos límites que se tienen en cuenta, ya que en el mercado hay
aplicaciones tales como refrigeración de equipos laser que les hacen falta
células de 8 mm cuadrados, debido a las reducidas y pocas aplicaciones el valor
de coste de éstas células suele ser mayor.
21. ¿Es posible adquirir células a medida?
Si, es posible, no obstante se ha de tener en cuenta que los costes de utillaje
se han de agregar al coste de las mismas, lo que resulta oneroso a la hora de
hacer pequeñas partidas.
22. ¿Qué significan las especificaciones Tfria?
Esta es la temperatura de la cara fria de la célula Peltier.
23. ¿Qué significan las especificaciones Tcaliente?
esta es la temperatura de la cara caliente de la célula Peltier.
24. ¿Cómo puedo medir las temperaturas en un montaje?
Esto es bastante complicado ya que se ha de colocar una sonda de medida lo más
cerca posible de la cara cerámica de la célula Peltier.
25. ¿Qué significan las especificaciones Vmax?
Es la tension c.c. que permitirá obtener el mayor Delta T a traves de una célula
en función de su lado caliente. Trabajando por debajo de Vmax, no hay suficiente
corriente para alcanzar el máximo Delta T.
26. ¿Qué significan las especificaciones Imax?
Todo lo contrario a lo que la gente piensa, no es la corriente máxima que puede
soportar una célula antes de romperse o fallar,. Es el nivel de corriente
directo que va a producir el máximo y mayor Delta T a traves de la célula
termoeléctrica. SI se trabaja por debajo de esta corriente, ello será
insuficiente para alcanzar el máximo Delta T.
27. ¿Qué significan las especificaciones Qmax?
Esta es una de las especificaciones que más confunden, esta vinculada
directamente con la carga (masa) térmica.
28. ¿Qué significan las especificaciones, Delta-Tmax?
Este es el mayor Delta T a través de una célula Peltier, para un valor dado del
lado caliente.
Se llega siempre a éste punto cuando la carga térmica Q es cero watts.
29. ¿Qué significa, coeficiente de diseño (COP)?
El Coeficiente de Diseño, es un indicador de la eficiencia de un sistema
Termoeléctrico.
Esta esencialmente definido por:a.- el calor bombeado por una célula
termoeléctrica.
b.- cantidad de potencia suministrada a la célula termoeléctrica, se coloca
matemáticamente dentro del COP ,COP=Q/(Vte*Ite), de donde Q es la ponencia
bombeada y Vte y Ite
son la tensión y corriente que se suministra a la célula termoeléctrica.
30. ¿Porque hay distintos gráficos para los distintos valores de Tcaliente?
Porque las células termoeléctricas son dependientes de la temperatura. Las
células termoeléctricas tienen un coeficiente positivo de temperatura con
respecto a la resistencia., Delta T max, y otros fenómenos relacionados.
31. ¿Se pueden conectar éstas células eléctricamente en serie, paralelo o
serie-paralelo?
Si, siempre que se suministre suficiente tensión y corriente de una fuente de
alimentación , éstas se pueden conectar en cualquiera de las formas, serie,
paralelo, la configuración que tenga el mejor sentido para la aplicación.
32. ¿ Hay algunas ventajas de conectar los módulos termoeléctricos en serie vs.
paralelo o viceversa?
Bajo condiciones normales, no. La cantidad de calor bombeado por cada uno de los
módulos será función de la tensión y la corriente que les llega, como resultado
de que estén en serie, paralelo, o bien en serie-paralelo, las conexiones
tienen pequeñas consecuencias. Cuando las conexiones están hechas en serie y se
produce un fallo en una de las células todo el sistema fallará.
33. ¿Por que necesito una fuente de alimentación para ésta tecnología?
Para mantener la capacidad de bombeo en la misma dirección, la polaridad del
voltaje siempre de mantenerse constante.
34. ¿Al variar la potencia de éstas células, debería de cambiar la tensión o la
corriente?
De acuerdo a la Ley de Ohm I=V/R, la corriente es la variable dependiente aquí,
puesto que se puede tener tensión sin corriente.
35. ¿Son las Células Peltier, simplemente resistencias?
Son principalmente resistencias. Mientras existen unas capacidades en las
células Peltier, de hecho se tiene en cuenta que no se presnetan barreras reales
en su aplicación. Los efectos inductivos estan mayormente confinados a los
cables de las células Peltier, y raramente presentan problemas salvo que estén controladas por corriente pulsante c.c.
36. ¿Necesitaré una buena fuente de alimentación c.c. para un sistema
termoeléctrico?
Es conveniente utilizar fuentes de alimentación estabilizadas, no obstante se
pueden utilizar fuentes de alimentación no recomendables para el uso, pero si
estas no superan el 15% de rizado es posible trabajar con ellas disminuyendo su
efectividad debido a los picos de tensión V max.
37. ¿Si dispongo de una fuente de potencia que excede Vmax, puedo modular la
regulación pulsante para reducir el nivel de c.c.?
No, nunca. debido a que éste tipo de enfoques solo traban con calentadores
resistivos. No terminan de funcionar con sistemas termoeléctricos.
38. ¿ Puedo utilizar regulación pulsante para controlar una célula Peltier si
mantengo la tensión Vmax, o por debajo de ésta?
Si, y es uno de los sistemas más efectivos para controlar la tensión en una
célula Peltier.
39. ¿Si utilizo suficiente número de células en serie, puedo utilizar
simplemente un rectificador desde la toma de 220 Volts de la red?
Es importante tener en cuenta que una tension de 220 Voltios es RMS, equivalente
a una honda senoidal, esto equivale a un 70.7% de picos de tensión.
40.¿ Puedo utilizar una regulación lineal, bien en tensión o bien en corriente
para regular la temperatura de un sistema termoeléctrico?
Si, normalmente esto se hace colocando un transistor bipolar en la unión. (BJT).
41. ¿Puedo utilizar ciclos on-off en las células Peltier para regular la
temperatura?
Una opción para regular es (On-Off), quizá no sea la más adecuada pero es una
solución alternativa y económica. Es importante utilizar un sistema de cosrte en
ciclos superiores a los 2000 Hz.
42. ¿Puedo utilizar una célula mecánica como interruptor para un control
termostático?
Si, aunque la mayoría de los interruptores están diseñados para corriente
alterna. Este tipo de interruptores disminuyen su vida cuando trabajan con c.c.
43. ¿Puedo configurar un controlador para que cambien de modo frío
a calor ?
Si, es una opción que normalmente se utiliza.
44. ¿Puedo utilizar un relé en estado sólido para controlar mi célula
termoeléctrica?
Si, aunque ésta no será la mejor opción en la mayoría de las aplicaciones. Es
mucho mas aconsejable utilizar un MOSFET, disponen de mucho mas ventajas, son
mas económicos, pequeños, y pueden disipar mucho menos calor.
45. ¿Puedo controlar la temperatura deseada de una masa simplemente utilizando
una fuente de alimentación variable fijando un nivel determinado en ella?
Normalmente NO. Solo podrá trabajar así si no existen cambios en la masa a
refrigerar o cambios en la temperatura ambiente.
46 ¿Qué precisión de temperatura se puede conseguir con la tecnología
termoeléctrica?
Con un sistema apropiado, bien diseñado, controlador fiable, utilizando un PID,
es posible mantener temperaturas hasta 0.01ºC de precisión.
47. ¿Es posible utilizar controles de temperatura económicos con ésta
tecnología?
Depende cuales sean los objetivos,. Bien se pueden utilizar sistemas de control
sencillo y simple, calentando o bien enfriando, Se puede utilizar el ventilador
para controlar la temperatura del foco caliente en función del foco frio.
48. ¿Existen muchas soluciones disponibles para el control de temperatura, en el
mercado?
Desafortunadamente no existen muchas opciones disponibles en el mercado, en
algunas aplicaciones a medida habrá que desarrollar un sistema de control
específico.
49. ¿Existe alguna limitación células que puedo utilizar en un sistema?
Teóricamente, NO, incluso en algunas aplicaciones los sistemas de compresor
resultan mas costosos que utilizar una cantidad importante de células Peltier.
50. ¿Qué tan rápido puedo refrigerar con ésta tecnología?
Esta no es una simple pregunta, puesto que hay muchos factores que intervienen
en un sistema termoeléctrico. Refrigerar un es un proceso instantáneo, y cada
sistema dependerá de un tiempo constante.
51. ¿Existen algunas consideraciones que deba de tener en cuenta para un montaje
con éstas células?
Por lo general se utilizan tornillos de maquinaria, para prensar una célula
Peltier entre una lado caliente y otro frío,. Debido a que es un sistema que
puede sufrir averías de una manipulación inapropiada, se deberán de tener
algunas consideraciones en el diseño, y al desarrollar los métodos de sujeción.
Para resultados óptimos se aconseja utilizar solo dos puntos de fijación.
52. ¿Cómo puedo empezar a diseñar un sistema Termoeléctrico?
Si Ud. está realizando una aplicación de Frio/Calor, considere como primera
opción la ecuación de la refrigeración, si tiene suficiente capacidad de
refrigeración, deberá de tener mucha para calentar. Debe de establecer los
parámetros iniciales de trabajo. En que parámetros de temperatura se va A
atrabajar. Cual es la temperatura ambiente más desfavorable. Cuales son sus
metas a las que deba de llegar el lado caliente por encima de la temperatura
ambiente. Cuales son las limitaciones físicas de: espacio, peso, dureza, medio
ambiente, etc. Existen focos de radiación que puedan ser perjudiciales.
53. ¿Cómo puedo determinar la magnitud de una carga pasiva?
Hay muchos factores envueltos en una carga pasiva, pero los dos más importantes
son las perdidas por conducción y por convección.
Por Conducción:
Son las pérdidas a tener en cuenta que se producen a traves de las paredes del
material empleado (aislante, estructuras, anclajes, etc,)
De donde: Q = (DT x K x A)/ L
Q Es la cantidad de calor conducida
DT Es la diferencia de temperatura entre el ambiente y la caga o masa a
refrigerar
K Es la conductividad térmica del material
L Es el espesor del material
A Es el area total expuesta de toda la superficie.
Por Convección:
Son las pérdidas como resultado de la circulación de corrientes térmicas, se
pueden calcular de la forma siguiente:
Q = h x A x DT
Q Es la cantidad de Calor generado por convección. (Watios)
h Es el coeficiente de Transmisión del calor se expresa: Watios / metro cuadrado
por ºC
A Es la superficie expuesta (metros cuadrados por watio)
DT Es la diferencia de temperatura entre la carga térmica y el ambiente ºC/Watio
54. ¿De que forma y que puedo hacer para disminuir la carga pasiva?
Definitivamente, es una buena idea aislar las masas o
cagas lo máximo posible del ambiente.
Cuanto mas aislante se aplique menos perdidas tendrá el sistema.
55. ¿Cómo puedo determinar cuales son las características de un radiador de
calor?
Un vez se haya podido cuantificar la cantidad de calor y los requisitos de la
potencia requerida para las células Petier que se van a utilizar, entonces se
podrá tener una idea del tipo de radiador que hará falta.
56. ¿Debería de tener en cuenta los problemas de condensación en las células
Peltier?
En las aplicaciones en las cuales el punto de rocío pudiese producir
condensación, se recomienda normalmente disponer de un tipo de protección de
sellado de las células Peltier para evitar un cortocircuito. (Térmica y
eléctricamente). y efectos electrolíticos.
57. ¿Existen algunas reglas de seguridad que se deban de tener en cuenta?
Existen dos consejos importantes a tener en cuenta, primero, nunca se debe de
conectar una célula de efecto Peltier si ésta no está provista de un radiador de
calor para evitar que se queme..
segundo, los posibles problemas de condensación que pudiesen producirse, nos
indican que seria conveniente tener el sistema totalmente aislado para evitar
perdidas así como también cortocircuitos dentro del mismo sistema.
58. ¿Debo de aislar entre las caras caliente y fría del sistema?
Para obtener mejores resultados se recomienda aislar entre ambas caras, no
obstante no existe una regla que determine como se ha de hacer o cuantificar.
59. ¿Se podrían utilizar éstas células como generadores eléctricos?
El efecto contrario del efecto Peltier es el efecto Seebeck, cuando existe un
movimiento térmico sobre una unión de semiconductores, las cargas de corriente
se ven transportadas por el calor.
Por ello cuando se crea una diferencia de temperatura a través de una célula
termoeléctrica el flujo de calor y las cargas que se generan, producen una
corriente eléctrica.
60. ¿Si las células Peltier se pueden utilizar como generadores eléctricos,
pueden ellas trabajar independientemente?
No existe tal cosa como, generador independiente, La cantidad de tensión
generada por Efecto Seebeck en una célula termoeléctrica y con un determinado
Delta T, es una fracción de la tensión que hace falta para obtener un salto
térmico por efecto Peltier.
61. ¿Qué puede ocurrir si se refrigera una célula más de lo que le hace falta?
Ello depende. El sistema puede alcanzar una temperatura que inicialmente se ha
establecido o bien pero si esto no se acepta hay tres opciones:
a) Se puede reducir la tensión y por ende la temperatura.
b) Se puede reducir la eficiencia del radiador de calor para descender el salto
térmico.
c) Se puede utilizar un regulador electrónico para controlar la tensión y
temperatura deseada.
62. ¿Se prueban estos productos antes de ser exportados?
Si, todas las células están sujetas a exhaustivos controles antes de ser
exportadas.
63. ¿Qué es " resistencia AC" ?
Es un término que dentro del lenguaje termoeléctrico es muy común. No por ello
se pretende determinar que de algún modo nos referimos
a la tensión que aplicamos a la célula termoeléctrica
El "AC" re refiere al hecho de que se ha de utilizar un Voltímetro en AC para
medir la resistividad, no así un Voltímetro en DC, si se aplica en ésta segunda
opción se determinará el Efecto Seebeck.
64. ¿Puedo verificar la células termoeléctricas con un medidor de Ohms
convencional?
No, la mayoría de Ohnmimetros aplican DC para medir la resistencia. Esto nos
medirá el voltaje Seebeck, lo que nos dará un valor poco preciso.
65. ¿Se puede utilizar un medidor de Ohms que aplica una tensión de corriente
continua?
No, esto tampoco, nos dará como resultado el Voltaje Seebeck, lo que dará una
medida poco fiable.
66. ¿Necesitaría pasar un cable a través de una célula Peltier, puedo perforar
ésta por algún lugar para facilitar las cosas?
Los elementos semiconductores de forma rectangular están conectados a traves de
toda la superficie de la célula termoeléctrica con unas placas de cobre
soldadas, hay muy poco espacio entre las soldaduras y las columnas, esto
requiere
alta precisión de perforar y como tampoco es muy aconsejable, es posible
insertar orificios en estas áreas, pero el riesgo de estropear las células es
muy elevado.
