Efecto termoeléctrico. Descripción y aplicación. Danilo Díaz Tarascó Estudiante de Ingeniería Electrónica Universidad Simón Bolívar Valle de Sartenejas, Miranda, Venezuela
[email protected] Abstract – This paper represents a brief description to the thermoelectric effect world, their use as an alternative cheap source of energy and possible use as a controllable heat exchanger. Key words – Peltier effect, Seebeck effect, Thompson Effect, temperature, semiconductor, Peltier cell.
Resumen - El presente trabajo presenta una descripción introductoria al mundo del efecto termoeléctrico, su aprovechamiento como fuente alternativa de energía económica y su aplicación de bajo mantenimiento como posible intercambiador de calor controlable.
Tradicionalmente el efecto termoeléctrico contiene tres efectos asociados: el efecto Seebeck, el efecto Peltier y el efecto Thompson. B. Efecto Seebeck El efecto Seebeck es la conversión de diferencias de temperatura directamente a electricidad. Seebeck tuvo el primer indicio del fenómeno al notar que la aguja de una brújula se desviaba cuando se formaba un circuito cerrado de dos metales unidos en dos lugares con una diferencia de temperatura entre las uniones como se puede ver en la siguiente figura.
Palabras clave – Efecto Peltier, Efecto Seebeck, Efecto Thompson, Temperatura, Semiconductores, Celda Peltier
I. INTRODUCCIÓN El descubrimiento de los fenómenos termoeléctricos y la búsqueda de nuevas alternativas de generación de energía, ha permitido un avance continuo en la tecnología termoeléctrica en los últimos años. El efecto termoeléctrico dependiendo de la forma en que se analice tiene distintas aceptaciones. El uso de estos efectos permite aumentar la eficiencia en sistemas que desperdician calor y el aprovechamiento del uso de semiconductores para el desarrollo de intercambiadores de calor económicos y de bajo mantenimiento. A. Efecto termoeléctrico El efecto termoeléctrico es la conversión directa de la diferencia de temperatura a voltaje eléctrico y viceversa. Un dispositivo termoeléctrico crea un voltaje cuando hay una diferencia de temperatura a cada lado. Por el contrario cuando se le aplica un voltaje, crea una diferencia de temperatura (conocido como efecto Peltier). A escala atómica (en especial, portadores de carga), un gradiente de temperatura aplicado provoca portadores cargados en el material, si hay electrones o huecos, para difundir desde el lado caliente al lado frío, similar a un gas clásico que se expande cuando se calienta; por consiguiente, la corriente se ve inducida termalmente. Este efecto es utilizado ampliamente en la industria para la generación de electricidad, medición de temperatura, el enfriamiento o calentamiento de objetos a través de controladores específicos.
Figura 1 Circuito que mostró el efecto Seebeck.
Esto se debe a que los metales responden diferentemente a la diferencia de temperatura, creando una corriente de circuito, que produce un campo magnético. El efecto generado es que un voltaje se crea por la presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Esto ocasiona una corriente “continua” en los conductores si ellos forman un circuito completo. El efecto Seebeck es utilizado comúnmente en dispositivos llamados termopar (porque está hecho de un acople o unión de materiales, generalmente metales) para medir una diferencia de temperatura directamente o para medir una temperatura absoluta colocando un extremo a una temperatura conocida. La explicación del efecto es la siguiente: Se generan los efectos difusión de portador de carga y arrastre de fonones. Los Portadores de Carga en los materiales (electrones en metales, electrones y huecos en los semiconductores, iones en los conductores iónicos) se difundirán cuando un extremo de un conductor está a una temperatura diferente del otro. Portadores calientes se difundirán desde el extremo caliente al extremo frío, pues hay menor densidad de portadores calientes en el
extremo frío del conductor. Portadores fríos se difundirán desde el extremo frío al extremo caliente por la misma razón. C. Efecto Peltier
q = ρ J2 − μ J
dT dx 𝑑𝑇
El efecto Peltier es una conocida propiedad termoeléctrica descubierta en 1834 por Jean Peltier. El efecto Peltier hace referencia a la creación de una diferencia de temperatura debida a un voltaje eléctrico. Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos metales o semiconductores conectados por dos “junturas de Peltier”. La corriente propicia una transferencia de calor de una juntura a la otra: una se enfría en tanto que otra se calienta. [1] Una manera para entender cómo es que este efecto enfría una juntura es notar que cuando los electrones fluyen de una región de alta densidad a una de baja densidad, se expanden (de la manera en que lo hace un gas ideal) y se enfría la región. Al suministrar una fuente de potencia, el dispositivo termoeléctrico puede actuar como un enfriador, como en la siguiente figura. Los electrones en el elemento tipo-n se moverán a la dirección opuesta de la corriente y los huecos en el elemento tipo-p se moverán en la dirección de la corriente, ambos removiendo calor de un lado del dispositivo.
Donde: 𝜌 es la resistividad del material, es el gradiente 𝑑𝑥 de temperatura a lo largo del alambre, 𝜇 es el coeficiente Thomson. El primer término 𝜌 𝐽2 representa el Efecto Joule, que no es reversible. El segundo término es el calor de Thomson, que cambia de signo cuando J cambia de dirección. En metales como zinc y cobre, que tienen un extremo caliente a mayor potencial y un extremo frío a menor potencial, cuando la corriente se mueve de un extremo caliente al extremo frío, se mueve de un alto a un bajo potencial, hay una producción de calor, comúnmente llamado Efecto Thomson positivo. En metales como cobalto, níquel y hierro, que tienen un extremo frío a mayor potencial y un extremo caliente a menor potencial, cuando la corriente se mueve de un bajo a un alto potencial, hay una absorción de calor llamada Efecto Thomson negativo. El coeficiente Thomson es único entre los tres coeficientes principales termoeléctricos pues es el único coeficiente termoeléctrico directamente medible para materiales individuales. [1]
II. APLICACIONES Las compañías de automóviles alemanas Volkswagen y BMW han desarrollado generadores termoeléctricos (GTE) que recuperan el gasto de calor de una máquina de combustión. Volkswagen afirma 600W de salida del GTE en condición de conducción en autopista. La electricidad producida por el GTE es cerca del 30% de la electricidad requerido por el auto, obteniendo una carga mecánica reducida (alternador) y una reducción en el consumo de combustible de más del 5%. BMW y DLR (Centro aeroespacial alemán) han desarrollado también un generador termoeléctrico impulsado por el tubo de escape que alcanza un máximo de 200 W y se ha usado exitosamente por más de uso 12000 km en carretera. Figura 2 Diagrama de funcionamiento del efecto Peltier en un semiconductor.
D. Efecto Thompson
Sondas espaciales en el exterior del sistema solar hacen uso del efecto en generadores termoeléctricos radioisotópicos para generación de electricidad.
Este efecto fue predicho y luego observado experimentalmente por William Thomson (Lord Kelvin) en 1851. Describe el calentamiento o enfriamiento de un conductor portador de corriente con un gradiente de temperatura.
Un refrigerador Peltier es una bomba térmica activa que transfiere calor desde una parte del dispositivo hacia la otra. Los sistemas de enfriamiento de las cámaras CCD funcionan con base en el efecto Peltier. Así como en el termociclador usado en Biología Molecular para realizar la PCR.
Algún conductor portador de corriente con una diferencia de temperatura en dos puntos, o bien absorberá o emitirá calor, según el material. Si una densidad de corriente J pasa por un conductor homogéneo, la producción de calor por volumen es:
Lo más común y económico es el uso de dispositivos termoeléctricos llamados “Celdas de Peltier”. A continuación se describirá a fondo.
A. Celdas de Peltier El efecto Peltier se da en la naturaleza cuando circula una corriente a través de un semiconductor y ésta genera una diferencia de temperatura en sus dos caras. Una celda Peltier está conformada por un arreglo de materiales tipo P y tipo N en un arreglo similar al mostrado en la figura. [2]
débilmente ligados, emigran hacia el lado positivo de cada uno de sus extremos en los elementos semiconductores tipo N, debido a la atracción de cargas de diferente signo. Mientras que los portadores mayoritarios, huecos de los elementos semiconductores P, emigran hacia la terminal negativa que se encuentra en cada uno de sus extremos. Esta ausencia de cargas en cada elemento semiconductor cerca de la unión “metal – semiconductor” provoca un “enrarecimiento de cargas” y el consecuente descenso de temperatura en el área circundante [3]. Por otro lado, la compresión o acumulación de portadores cerca de la unión metal semiconductor en la parte baja de los elementos semiconductores en la figura 4, provoca un ascenso de temperatura. Este comportamiento nos permite afirmar que si invertimos la polaridad de la fuente de alimentación, la cara fría ahora calentará y la cara caliente sufrirá un descenso de temperatura [4]. El uso de estas celdas permite crear un nuevo mundo energía limpia, recuperando energía del efecto Joule dispositivos ineficientes, de diferencias de transporte materiales así como implementación de sistemas enfriamiento de bajo mantenimiento y costo reducido.
Figura 3 Estructura interna de una celda de Peltier. Los elementos semiconductores están dispuestos eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo.
Internamente la celda Peltier posee elementos semiconductores altamente impurificados y dispuestos eléctricamente en serie mediante conductores de cobre [3]. Para aislar los conductores de cobre del disipador se agrega entre ellos una placa de cerámica que funciona como aislante.
Figura 4 Diagrama de elementos semiconductores y áreas de disipación.
Una polarización como la mostrada en la figura 4, se distribuye a lo largo de cada elemento semiconductor de la celda, es decir, cada elemento semiconductor posee una diferencia de potencial proporcional a la polarización de entrada. Por esta razón, los portadores mayoritarios, electrones
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Bibliografía y Referencias [
Wikipedia, «Efecto Termoeléctrico,» [En línea]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_termoeléctrico. [Último acceso: Julio 2015]. [ E. E. J. J. L. B. A. Arturo P. Sandoval G., «Celdas 2] Peltier: Una alternativa para sistemas de enfriamiento con base en semiconductor,» Julio 2015. [En línea]. [ Temperature Control, New York: Krieger 3] Publishing. [ M. S. G. Patterson, «Efecto Peltier,» Departamento 4] de Física FCEyN, Universidad de Buenos Aires, Julio 2015. [En línea]. Available: http://df.uba.ar/dgrosz/material%20adicional/celda%20 Peltier%20Patterso%20n-Sobral.pdf. 1]
Nacido en Los Teques, Estado Miranda, Venezuela, Danilo Díaz Tarascó estudia Ingeniería Electrónica en la sede de Sartenejas de la Universidad Simón Bolívar; actualmente cursa el quinceavo trimestre de la carrera. Ha desarrollado múltiples hobbies relacionados con la carrera, desde la música hasta el radiocontrol. Tiene interés en áreas como la mecatrónica y la instrumentación. En agosto del 2013 realizó una pasantía corta con el Grupo de Investigación y Desarrollo en Mecatrónica y participó en la categoría Open de la competencia de robótica CCSBot 2013, quedando en primer lugar, encargándose del sistema de movilidad y comunicación de MCU con un teléfono inteligente de un robot autónomo que recogía latas en la arena. Ha realizado preparadurías de investigación sobre mantenimiento de laboratorio, y colaboración en diseño robot para la Robocup en El Grupo de Investigación y Desarrollo en Mecatrónica además de preparaduría en Sistemas Electrónicos Industriales II para Ingeniería de Producción. Actualmente pertenece a la agrupación FutBot USB, en la fue Vicepresidente y Director Técnico General y ahora desempeña el cargo de Presidente. Ha cursado un curso de Alemán Básico y su dominio del inglés se encuentra en un nivel medio alto.
