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sábado, 17 de noviembre de 2012

Efecto Seebeck Peltier

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Convertir una diferencia de temperatura directamente en electricidad.

Sin motores, 
ni piezas móviles, 
sin rozamientos, 
sin gases,
sin ruido, 
sin desgaste...


Los efectos peltier y seebeck fueron descubiertos hace ya casi doscientos años, pero es hasta hace relativamente poco tiempo que estos fenómenos se han incorporado a la electrónica de consumo.

Se trata de dos fenómenos físicos que en realidad son la misma manifestación, ya que ambos son reversibles. Hay muchos ejemplos de reversibilidad en física, por ejemplo:

ejemplo 1
- Mediante un campo magnético podemos crear electricidad (alternador)
-...pero también podemos crear un campo magnético con electricidad (electroimán)-

ejemplo 2
- Mediante electricidad podemos disociar el agua en hidrógeno y oxígeno (electrolisis)
- ...combinando H y O “creamos” agua...y electricidad, es decir, la archiconocida “pila de combustible”, en la que muchos depositan su esperanza de energía abundante para el futuro.

ejemplo 3
- Si aplicamos presión (y comprimimos) un material piezoeléctrico, generamos tensión. Esta propiedad se aprovecha por ejemplo en los encendedores eléctricos y en los micrófonos piezoeléctricos.
- Si por el contrario aplicamos electricidad (alterna) en ambas caras de un material piezoeléctrico, éste se contrae y expande (al ritmo de esa electricidad alterna) y este fenómeno se aprovecha para hacer zumbadores o avisadores acústicos.


...y así, un montón de efectos físicos que son reversibles.


­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­El efecto seebeck consiste en que, si unimos dos materiales distintos que sean conductores de la electricidad y calentamos esa unión, en los extremos libres de esos materiales se produce una tensión o diferencia de potencial (voltaje) que puede aprovecharse. Este sencillo dispositivo se conoce como “termocupla” y normalmente se usa como sensor para medir temperaturas. Pero en determinadas configuraciones puede suministrar suficiente electricidad como para ser utilizada de forma práctica.

Esto último es lo que se va a ver en el vídeo de este artículo

En la imagen siguiente, podéis ver el montaje de una termocupla que es sencillamente un par de trozos de metales distintos unidos mecánicamente (sin soldadura).





La cantidad de electricidad producida dependerá de los dos metales elegidos (no todos producen la misma cantidad de electricidad) y también de la diferencia de temperatura entre la unión de ambos y los extremos libres.

Incluso en el mejor de los casos, la cantidad de electricidad será bastante modesta, por no decir realmente pequeña, sin embargo, estas termocuplas pueden ser verdaderamente pequeñas, por lo que, en poco espacio se pueden disponer muchas de ellas en serie (sumamos tensiones), o en paralelo (sumamos intensidad), o mezcla de ambos (serie y paralelo). De este modo, la cantidad de electricidad generada puede ser significativa.

Estos dispositivos ya existen en el mercado y se conocen como células peltier. Tienen una apariencia de cuadrado y de ella salen dos cables. La peltier tiene polaridad, así que esos dos cables van señalizados, ya sabéis: Negro: negativo. Rojo: positivo. 

Una peltier es una matriz con muchas termocuplas dispuestas en un espacio muy reducido. Las termocuplas que la conforman no están hechas de simples metales sino con semiconductores.

Imagen de una célula peltier típica:




¿dónde conseguir una de estas células peltier?

En cualquier tienda de componentes electrónicos, y si no tienes una tienda cerca, se puede pedir por internet. Basta con poner en un buscador "célula peltier" y te saldrán muchos resultados con empresas que las venden.

Su precio oscila bastante en función de la potencia, el vendedor, el lugar donde estés...

La que utilizo en el vídeo me costó 15 euros y es de 50x50mm. Desconozco su potencia pero debe andar en torno a los 50W

La más común funciona a 12V, pero las hay de tan solo 2V y también para tensiones mayores de 12V.



Cómo funciona una célula peltier.

Como ya dije en el vídeo, la utilización mas común y frecuente de estas células es la de producir frío. Al conectarlas a una fuente de corriente continua producen inmediatamente un intenso frío en una de sus caras, mientras que en la otra cara se produce justamente lo contrario: mucho calor. Es muy importante disipar y evacuar eficientemente el calor de la cara caliente, pues de lo contrario, no solamente no enfriará sino que se destruirá en cuestión de segundos.

Para eso, se les pone un enorme radiador que además hay que enfriar forzando aire con un ventilador. Sólo así la célula peltier mantiene la cara fría realmente fría. La diferencia típica de temperatura que una peltier genera entre sus dos caras es de unos 70ºC. Por lo tanto, si queremos que la cara fría esté a unos -10ºC, la parte caliente no debería superar los 60ºC. Una peltier se comporta como una bomba de calor: Extrae el calor de una cara (la que se enfría) y lo envía a la otra cara (la que se calienta). Además, la peltier genera su propio calor por el simple hecho de funcionar como cualquier dispositivo eléctrico.

En cualquier caso, cuando la peltier alcanza una temperatura superior a 200ºC corre el riesgo de romperse de forma irreversible (está hecha a base de semiconductores). Esta rotura sucede con gran rapidez (cuestión de segundos) si se la hace trabajar sin evacuar el calor de la parte caliente.

Esto en cuanto a la utilización de una célula peltier haciéndola trabajar como...peltier.


Generando electricidad con una célula peltier

Nada de lo anterior nos preocupa cuando hacemos trabajar a una peltier en el modo inverso a su uso convencional: Imprimiendo calor a una de sus caras, y frío en la otra, obtendremos electricidad en sus cables.

Como es de esperar, la cantidad de electricidad depende de la diferencia de temperatura que seamos capaces de asegurar entre sus caras.

Como la máxima temperatura que admiten es de 200ºC (en realidad admiten un poco más, pero es mejor dar un margen de seguridad), podemos someter a ambas caras a un contraste de temperatura bastante grande. Se puede poner una cara a por ejemplo, 100-150ºC, mientras que la otra la podemos mantener a temperaturas mucho mas frías -tanto como queramos, o podamos-.

En el vídeo se puede ver que una cara de la peltier es mantenida a unos 70ºC con agua caliente a través de un radiador de aluminio (no debemos mojar la peltier), mientras que la otra cara estará a unos 15-20ºC bajo cero por la acción de hielo, lo que supone un contraste de 90ºC aproximadamente.

En el vídeo se aprecia una lectura superior a 2.3 voltios (y eso, con la carga conectada: el motor). No está nada mal...

Si la diferencia de temperaturas (respetando no pasar de 200ºC) fuese mayor, el voltaje también sería mayor.

Si ponemos varias peltier en serie y/o en paralelo, la potencia eléctrica generada sería la suma de ellas, y la cosa puede llegar a ser interesante, incluso desde el punto de vista de darle un uso práctico a esa electricidad.

Aquí, el reto es encontrar una ubicación para aprovechar el calor residual que muchos procesos cotidianos desperdician enviándolo a la atmósfera, por ejemplo, la salida de aire caliente de una caldera de calefacción doméstica.

El montaje para probar el efecto seebeck:



Puse la peltier en un radiador de los utilizados en electrónica (da igual la cara que pongais hacia abajo, pero yo puse la que genera calor cuando se la hace funcionar como peltier). Luego, la fijé con un par de tornillos al radiador. Puede ser buena idea aplicar pasta de silicona conductora en el radiador para que la transferencia de calor entre peltier y el radiador sea mas eficiente. Esto último es recomendable aunque para el experimento quizás no sea determinante.

Después conecté polímetro y motor a la peltier.

Acto seguido, desde un termo, vertí agua a unos 70ºC en la cubeta.

...y finalmente, enfrié la cara superior de la peltier con un cubito de hielo.

Si todo está correcto, el motor debe comenzar a girar con brío.


Cuando veáis el vídeo, os daréis cuenta de una anécdota: Con solo verter el agua caliente no es suficiente para hacer andar al motor ya que es necesario enfriar la cara de arriba (con hielo) para que la tensión se eleve. Sin embargo, justo cuando estoy poniendo el agua caliente, el motor hizo un par de amagos de funcionar (minuto 7:43 del vídeo), pero de eso no me dí cuenta en el momento de hacer el experimento, me dí cuenta mucho después, cuando estaba en postproducción montando el vídeo en mi PC.

El vídeo:





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24 comentarios:

  1. Hola mi nombre es Rafa y desde que te descubrí haciendo biodiesel de vez en cuando te hay una visita.

    Viendo esto de la cerula peltier se me ha ocurrido algo, a ver que te parece. La idea es es sabido que el aire acondicionado no rinden bien con el frio extremo. Usar una cerula peltier para calentar el evaporador del aire acondicionado. Esto seria como si hubiese mas temperatura ambiente de la que en realidad hay y mejoraría el rendimento de la maquina, que va empeorando según bajan los grados en la calle. En verano con solo darle la vuelta a la peltier ayudaría a enfriar aunque la perdida de rendimento en verano no es tan acusada.
    Se que estaríamos metiendo un consumo extra al del aire acondicionado, pero quizas compense con que el compresor del aire acondicionado funcione menos ciclos al tener mas rendimiento. ¿que opinas?

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    1. Hola, si se le da una ayuda al evaporador del aire acondicionado éste trabajará mejor, claro que, hay que tener en cuenta el consumo de la peltier. Para evitar que la peltier alcance temperaturas críticas habría que poner algún automatismo que controle su funcionamiento.

      El mayor problema en este tipo de montajes es mantener bien aisladas ambas caras de la peltier, me refiero a aislamiento térmico.

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  2. A quien le hiria muy bien es a los peces al berano, poniendo unas de estas conectadas a un bentilador, si pusieramos las placas abajo del todo que es donde mas fresca deveri estar el agua y el bentilador arriba, se autoalimentaria solo, pero claro, 2 o 3 placas faltarian no?

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    1. Si, la peltier se puede usar para enfriar, para calentar y para producir electricidad a partir de una diferencia de temperatura. Tres usos distintos. Lo más difícil es hacer el montaje de forma práctica en el caso de refrigerar el agua de un acuario, pero la teoría es bien sencilla.

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  3. Hola José, buenas noches.

    He estado buscando información con respecto a la célula peltier, porque tengo un enfriador de vinos y dejó de funcionar, ya desarme todo e inclusive verifique si tiene continuidad la célula peltier (si tiene continuidad).

    Tengo dos preguntas...

    1) cuando desarme el enfriador, desarme la parte donde va la célula también, entre las piezas lleva una especie de crema, ¿me podrías decir por favor que tipo de crema lleva?

    Me parece muy bueno el vídeo que presentas donde creas electricidad con una célula peltier para hacer funcionar un motor con una hélice, al finalizar dice que se puede uno registrar si nos gustó el vídeo...

    2) ¿En qué dirección o página web me puedo registrar?

    De antemano gracias y quedo en espera de tus comentarios

    Saludos.

    Atte.: Julio Rafael Moreno Vargas
    JrSpecial@live.com.mx
    JrSpecial62@gmail.com

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    1. Hola Julio, esa crema es "pasta térmica", y sirve para que haya una perfecta transferencia de calor entre la célula peltier y el radiador. Se puede comprar esa pasta en un comercio donde vendan componentes electrónicos. Los técnicos de reparación de electrodomésticos usan esa pasta para aplicarla a los semiconductores que llevan acomplado un radiador térmico, y por la misma razón (transferencia de calor).

      Para registrarte o suscribirte a mi canal de youtube solo tienes que ir al botón que pone "suscribirse", que está bajo la ventana del vídeo. Y entonces, cuando yo suba un vídeo recibes un correo notificándotelo. Si tienes facebook y/o twitter también puedes agregarme, porque en esas dos redes sociales tengo actividad que no es posible en Youtube.

      Gracias, y un saludo.

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  4. hola jose, he visto que como fuente de calor se puede utilizar una antena de tv satelital, donde aplicandole una lamina reflectiva o espejos es posible tomar alta concentracion de calor en un punto de esta antena (como una cocina solar); en posible utilizar este metodo para tomar ese calor y convertirlo en electricidad? de antemano te agradezco la respuesta. slds.

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    1. Hola Sergio, de hecho se hace. Estos dispositivos concentran mucha energía en un área muy pequeña. Si la antena tiene un tamaño grande la energía obtenida puede ser utilizada en algo práctico.

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    2. hola Jose, me interesaria probar hacer esto con una antena parabolica que he adquirido usada para tal fin.
      pero tengo poca practica al respecto; podrias ayudarme, guiandome poco a poco.

      tengo posibilidades de adquirir la celula peltier; al pie dejo los links.

      haciendo de cuenta que cuento con la celula peltier y direcciono el calor a una de sus caras; como enfriaria la cara opuesta para que no se recaliente la peltier? esta es solo la primer pregunta que se me ocurre.

      espero podamos colaborar juntos, gracias!

      http://dx.com/p/tec1-12706-semiconductor-thermoelectric-cooler-peltier-white-157283
      http://dx.com/p/c1203-4p1540-4-level-semi-conductor-cooler-cooling-plate-189618

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  5. Lamentablemente, un espejo convencional desperdicia la mayor parte de la energía. Los espejos de laboratorio utilizan una fina lámina de plata que los hace muy caros, mientras que los espejos comerciales usan una pintura "semireflectiva" con lo que el efecto en realidad se pierde. Una forma de usar ese calor (ya utilizada en la industria) es calentar aceite que se conudce hasta calderas donde se hace hervir agua hasta presurizar el vapor y finalmente impulsar turbinas. el montaje en sí mismo no es práctico. Yo tengo como 10 antenas de diferentes diámetros, si logran hacer funcionar este proyecto quiero participar. Mi duda es en este caso del reflector solar ¿cómo enfriar el otro lado de la célula peltier?

    osk.armed88bis@gmail.com

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  6. el problema de la célula peltier es que no la an diseñado para generar electricidad incluso para generar frio sigue siendo una chapuzada porque además de conectarla ah la electricidad le tienes que poner un ventilador por eso yo creo que necesita otro diseño el cual se aíslen las parte fría de la calente de tal forma que si ponemos la placa directamente al sol metida dentro de un recinto cerrado para que amplifique el calor como en un efecto invernadero mientras que el otro sitio lo metemos dentro de otro recinto que transpire para que al evaporar el liquido interior se enfrié haciendo un efecto botijo seguro que así generaría mucha electricidad sin problemas

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  7. Hola Jose, solo una pequeña consulta cual es el modelo de la célula peltier que estás utilizando?

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    1. Hola. No tiene ninguna referencia visible, es de 12V y aproximadamente 60W

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  8. Tengo una duda. Primero que nada tus vídeos me han ayudado mucho en proyectos escolares, y son muy buenos. Mi duda es en el párrafo de arriba dijiste que célula de peltier puede conectarse de forma paralela o en serie para producir mas voltaje. Mi pregunta es si podías tocar mas a fondo el tema para saber como colocarlas en serie para hacer esto.

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  9. hola seria posible que la celula peltier estuviera conectada a un panel solar y aun abanico para enfriar el radiador y el aire lanzado por el abanico que fuera atrapado por un generador de eergia eolico me gustaria ver cuanto voltaje se generaria de ser asi si me madarias lo necesario para crear este proyecto a mi correo evan.renteria1@gmail.com

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  10. muy bien explicaste amigo gracias estoy utilizando los informaciones que escribiste! tours estambul

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  12. Hola, estoy haciendo un proyecto para clases de Diseño de producto bastante experimental por no decir utópico... La idea es hacer un gorro para deportes de frío extremos que contenga varias células peltier, entre el calor que genera y el cuerpo (37º) y pongamos entre oº y -10º del exterior... Sería viable que pudiese almacen una mínima energía en una bateria de litio? La idea es que sea una reserva de emergencia para enchufar un dispositivo o tner un par de leds de 1oomV de luz frontal. Soy nuevo en esto, como podéis comprobar.

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  13. Hola compre unas peltier y es 12 v pero no me supieron decir en el comercio cuanto amperaje debo alicar, lo conecte a una fuente atx de computadora que sirve 450 wats pero no indica los amperios y el costo ector se calienta y la peltier si tiene efecto pero el lado frío llega a 16° y oscila entre 17° y 25° que puedo hacer. O cuanto amperaje devo ocupar?

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  14. Hola compre unas peltier y es 12 v pero no me supieron decir en el comercio cuanto amperaje debo alicar, lo conecte a una fuente atx de computadora que sirve 450 wats pero no indica los amperios y el costo ector se calienta y la peltier si tiene efecto pero el lado frío llega a 16° y oscila entre 17° y 25° que puedo hacer. O cuanto amperaje devo ocupar?

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  15. Mientras más refrigere l lado caliente más enfría el lado frío? O tengo q ponerle más corriente para q enfríe más?

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  16. Mientras más refrigere l lado caliente más enfría el lado frío? O tengo q ponerle más corriente para q enfríe más?

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  17. Buenas a todos.
    El experimento esta genial. El rendimiento veo que es de 2,3v. Pero ¿que intensidad genera?.
    Estoy calculando poner 2 bloques de 10 placas en serie y los bloques en paralelo con una diferencia de 50 grados generando asi 12v por cada bloque de 10 células pero no se la potencia resultante.
    Un saludo.

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