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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