Grupo 1IE-141 Transferencia Transfer encia de Calor
PROYECTO FINAL: ENFRIAMIENTO POR INMERSIÓN DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Determinación Determina ción del estado del arte y propu propuesta esta de investigación.
Universidad Tecnol!ica de Pana"# Licencia$%ra en In!enier&a Elec$ro"ec#nica C%rso de Trans'erencia de Calor
(En'ria"ien$o de Dis)osi$ivos Elec$rnicos: De$er"inacin del es$ado del ar$e * )ro)%es$a de inves$i!acin+,
Pro*ec$o -nal del c%rso
In$e!ran$es: No".re 0a$is$a1 Pedro 0er.e*1 L%is De Levan$e1 Ricardo Mor#n1 Freddic< Te=ada1 Man%el
C/d%la 2324536789 232473772 4376436;7 ;37;73582 232>736;56
Pro'esor: Mi!%el ?ovan/
Pana"#1 > de =%lio de ;6>
2
Con$enido
6, Res%"en E=ec%$ivo@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@,>
;, O.=e$ivos@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@,,8
5, In$rod%ccin@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@@@@@@@@@@8
>, En'ria"ien$o de co")onen$es elec$rnicos )or in"ersin@@@@@@4
8, En'ria"ien$o )or In"ersin de Concen$radores Fo$ovol$aicos@@@,6
4, Pro)%es$a de Inves$i!acin@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@ @@6>
7, Re'erencias 0i.lio!r#-cas@@@@@@@@@@@@@@@@@@@, @@@@,,;
6, Res%"en E=ec%$ivo
De!ido a "ue los componentes el#ctricos normalmente necesitan de una forma de refrigeración como o!$etivo principal la protección para prolongar su vida %til& este tra!a$o tiene como o!$eto de estudio el m#todo de enfriamiento de dispositivos electrónicos por inmersión. 'e estudiar( diferentes aplicaciones& como enfriamiento de concentradores fotovoltaicos& supercomputadoras& etc.& )aciendo mayor #nfasis en los concentradores fotovoltaicos. *os concentradores fotovoltaicos alcan+an temperaturas altas& las cuales de!en ser controladas& y al mismo tiempo se "uiere tener una distri!ución de temperaturas uniforme para me$orar la operación. *a e,ciencia de los concentradores fotovoltaicos se ve afectada por la profundidad a la "ue se sumerge el concentrador y el l"uido "ue se usa como enfriamiento. Estudios de )u& * )an demostrado "ue el agua de grifo& apenas ,ltrada& puede funcionar como un /uido efectivo en aplicaciones de concentradores fotovoltaicos& como se e0plica a continuación. ero )u notó "ue la e,ciencia del concentrador se degrada con el tiempo& lo "ue cree "ue se de!e a la reacción electroltica o a la !a$a concentración de iones. En este tra!a$o proponemos reali+ar e0perimentos con otros l"uidos y con otros electrodos "ue sospec)amos "ue no causan esta degradación. De esta manera compro!aremos e0perimentalmente las suposiciones de )u.
4
;, O.=e$ivos
O.=e$ivo eneral 3
RealiBar %na )ro)%es$a de %n )ro*ec$o de inves$i!acin en el $e"a (En'ria"ien$o )or In"ersin de Dis)osi$ivos Elec$rnicos+ )ara '%$%ros a)or$es en el $e"a,
O.=e$ivos Es)ec&-cos 3 3 3
RealiBar %na .s%eda li$eraria so.re el $e"a (En'ria"ien$o )or in"ersin de co")onen$es elec$rnicos+, De$er"inacin del es$ado del ar$e, Reconocer )%n$os en los %e se )%edan realiBar '%$%ras inves$i!aciones,
5, In$rod%ccin
*os componentes electrónicos est(n sometidos a calentamientos por el fenómeno de efecto oule. ara prolongar su vida %til& muc)as veces es necesario alg%n m#todo de enfriamiento& ya sea por convección for+ada por medio de ventiladores& empleo de aletas& termosifones y en este caso y como o!$eto de estudio& por inmersión en un l"uido "ue tenga su,ciente 3
conductividad t#rmica y "ue no in/uya afecte los par(metros el#ctricos del circuito. Esta es una forma no muy com%n de enfriar los circuitos& pero "ue se emplea en componentes de alta potencia como los transformadores. *as computadoras personales enfriadas por medio de #ste m#todo generalmente no re"uieren ventiladores o !om!as y enfran por simple transferencia de calor entre los componentes el#ctricos& el l"uido de enfriamiento y el aire de am!iente. Este l"uido de!er( tener una conductividad el#ctrica muy !a$a& de tal manera "ue no inter,era de ninguna forma con la actividad del circuito. 'i el l"uido es algo conductivo& ser( necesario aislar el#ctricamente las partes con cierto grado de vulnera!ilidad del circuito de!ido a la interferencia electromagn#tica. E0iste una gran variedad de l"uidos usados para este propósito siendo !astante usados los aceites de los transformadores como por e$emplo el 5luorinert 67i8ipedia& 2914:. *os aceites de cocina& de motor y de silicona )an sido empleados en computadoras con resultados satisfactorios.
En'ria"ien$o de co")onen$es elec$rnicos )or in"ersin
;no de los mecanismos de refrigeración es la inmersión l"uida& en la "ue un computador es totalmente sumergido en un l"uido de conductividad el#ctrica muy !a$a& como el aceite mineral. El desarrollo de tecnologas de circuitos cada ve+ m(s r(pidos y densos )a sido acompa
En el enfriamiento por inmersión directa el circuito 6por e$emplo& un computador: se mantiene enfriado por el intercam!io de calor entre sus partes& el l"uido refrigerante y el aire del am!iente. Tam!i#n proporciona una temperatura uniforme en el elemento a enfriar.
*a selección de un l"uido para el enfriamiento por inmersión no puede )acerse !as(ndose solamente en sus caractersticas de transferencia de calor. *a >
compati!ilidad "umica y el#ctrica del coolant se de!en tener en consideración. uede )a!er algunos coolants "ue puedan proveer un enfriamiento adecuado& pero pocos son compati!les "umica y el#ctricamente como el agua& "ue tiene !uenas caractersticas de transferencia de calor pero puede tener este tipo de incompati!ilidad. or estas ra+ones )a!itualmente se utili+an distintos l"uidos de /uorocar!ono con caractersticas de transferencia de calor po!res 6E$emplo& 5C-?2& 5C-@>& 5C-??:. = continuación en la ta!la 1 se presentan algunos de estos l"uidos y sus propiedades 6'imons& 1AA>:.
ropiedad unto de e!ullición a 1 atm 6C: Densidad 19 a la - 68gFm: Calor espec,co 6F8g: 19 a la - Conductivida d T#rmica 67Fm: Hiscosidad Din(mica 68gFms: 104 Calor de Hapori+ación 6F8g: 10-4 Tensión super,cial
5C-@? 9
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5C-?? A?
B2 199
1.>
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1.1?2
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9.9331
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4.29
4.39
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@.33
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[email protected]
1.>9
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1.49
9.29
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1.?2
1.?3
[email protected]
x103 (N/m)
Coe,ciente de e0pansión t#rmica 61F: 3
x 10
Constante diel#ctrica
Tabla 1. Propiedades físicas de algunos coolants (Simons, 1996).
odos de transferencia de calor
?
*os procesos transferencia de calor por convección "ue involucran el enfriamiento por inmersión de l"uidos son convección natural& convección for+ada y e!ullición 6'imons& 1AA>:. Convección natural *a convección natural de l"uidos puede f(cilmente igualar la convección for+ada de aire. Este m#todo puede ser usado en un contenedor con un l"uido en donde el componente el#ctrico transferir( calor al l"uido y #ste a las paredes del contenedor& y de estas %ltimas a los alrededores por convección natural o for+ada 6'imons& 1AA>:. Convección for+ada 'e puede lograr una transferencia de calor mayor utili+ando una !om!a para proveer convección for+ada. El coe,ciente de transferencia de calor depender( de la geometra y la naturale+a del /u$o 6laminar o tur!ulento: y tam!i#n ser( proporcional a la velocidad elevada a una potencia en el intervalo entre 9.3 y 9.@ empricamente. El inconveniente de este m#todo es la cada de presión por lo "ue se necesitar( !om!as grandes y presiones de operación m(s grandes. = pesar de esto& este m#todo ofrece la oportunidad de remover calor de módulos de alta potencia en espacios con,nados y luego transportar el calor por medio del coolant )acia un intercam!iador de calor 6'imons& 1AA>:. E!ullición Es un proceso de transferencia de calor comple$o "ue depende del cam!io de fase de l"uido a gas por medio de la formación de !ur!u$as en la super,cie caliente. 'e puede categori+ar en e!ullición en !a:.
E=e")los de a)licaciones
El módulo de l"uido encapsulado desarrollado en IJ en los a:.
@
Figura 1. Enfriamiento por aire o por agua del mdulo de lí!uido encapsulado (Simons, 1996).
*a e!ullición en las super,cies del c)ip e0puesto !rinda altos coe,cientes de transferencia de calor 61?99 a 3?99 7Fm2: para cumplir con los re"uerimientos de enfriamiento del c)ip. *as aletas internas permiten condensar los vapores y remover el calor del l"uido. Con esto se poda enfriar c)ips de 4 7 64.> mm 0 4.> mm: y módulos de potencia de )asta 99 7. El enfriamiento por inmersión directa en l"uido )a sido usado por IJ por todos estos a:.
Supercomputación
*as C; utili+adas en los supercomputadores )oy en da disipan 19 veces m(s calor "ue un disco de estufa com%n. =lgunos dise
;na de las innovaciones en este dise
;n e$emplo de un sistema de enfriamiento por convección for+ada de l"uido fue el de la supercomputadora CK=N-2. Como se muestra en la ,gura 2& muc)os módulos electrónicos fueron enfriados por un /u$o for+ado de 5C-?? a trav#s de cada módulo. Cada módulo consista de @ placas de circuitos impresos. ;n /u$o total de ?9 gpm fue usado para enfriar 14 pilas conteniendo 24 módulos cada una. *a potencia disipada por un módulo fue de >99 a ?99 7. El coolant fue suplido a los componentes electrónicos por medio de !om!as con intercam!iadores de calor enfriados por agua 6'imons& 1AA>:.
19
Figura 2. Sistema de enfriamiento por inmersión de líquido del CRAY-2 (Simons, 1!".
En'ria"ien$o )or In"ersin de Concen$radores Fo$ovol$aicos
Este tra!a$o est( m(s enfocado en el tema de los concentradores fotovoltaicos& con el "ue se cumplir( con el o!$etivo ,nal del proyecto& el cual es reali+ar una propuesta de investigación.
Conce)$o: *a radiación solar concentrada puede ser utili+ada para generar energa el#ctrica a partir de celdas fotovoltaicas& pero la radiación solar concentrada incrementa la temperatura de las celdas. Este incremento de temperatura puede llevar a la degradación de la e,ciencia de la c#lula& y una temperatura muy alta puede da
ientras "ue una variedad de enfo"ues )an sido utili+ados para mantener las c#lulas frias& la mayora est(n !asadas en la eliminación de calor desde la parte de atr(s 6'uper,cie opuesta del /u$o incidente e0puesto a la super,cie: de la c#lula. Este informe reporta una t#cnica de enfriamiento de las c#lulas por inmersión& donde un refrigerante se )ace circular a trav#s de la super,cie frontal 6Donde incide el /u$o e0puesto: y en otras super,cies.
*as celdas fotovoltaicas es un dispositivo "ue convierte la energa de radiación en electricidad. *os semiconductores son los materiales utili+ados para construir estas celdas. Cuando los fotones caen en la super,cie de las celdas fotovoltaicas& el fotón de energa se someter( a trav#s de procesos en los cuales la energa radioactiva se convertir( a electricidad. Jasados en estos tres procesos& la e,ciencia de la celda puede ser determinado.
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El primer paso es la a!sorción de la energa radioactiva incidenteO no todos los fotones pueden ser a!sor!idos por las celdas& dado "ue los fotones tienen "ue poseer cierta cantidad de energa para "ue puedan e0citar a un electrón a moverse de la !anda de valencia a la !anda de conducción& donde pueden ser recogidos como corriente el#ctrica.
Figura ". #lustracin de un electrn despla$%ndose a la banda de conduccin para ser recogido como corriente el&ctrica.
El segundo proceso es la termali+ación del )ueco de electrón& donde la energa de calor solar es convertida a energa "umica. *a energa media de )ueco de electrón 6)f a!s: ser( reducido a PeQP). Como resultado& la e,ciencia puede ser e0presada como η *+R,A-'.AC '()
=
ε
e
+
ε &
&f a%s
=1−
* #$lula * emitida
12
El tercer proceso es la conversión de energa "umica a energa el#ctrica& donde la energa del )ueco de electrón 6Pe Q P): ser( convertido a energa "umica 66ReQ R):S eH oc:. η *+R,A-'.AC '()
e/ o#
=
ε
e
+
ε &
Pro'%ndidad de la in"ersin )ara el en'ria"ien$o El enfriamiento por inmersión de!era cumplir dos metas. En primer lugar es alcan+ar una temperatura de funcionamiento !a$a y la segunda es tener una distri!ución de temperatura uniforme. *a inmersión de las c#lulas fotovoltaicas en el agua va a cam!iar la distri!ución espectral del /u$o solar. Calculando la profundidad de entrada& la respuesta espectral para las celdas de silicona de!era ser primero de,nida. En el caso de utili+ar agua desioni+ada& la profundidad tiene un lmite. Este lmite se puede determinar con la gr(,ca en la ,gura 4& donde la e,ciencia relativa se re,ere a la relación de la e,ciencia a cual"uier profundidad a la e,ciencia en la profundidad cero. *a e,ciencia de las c#lulas fotovoltaicas a cual"uier profundidad se mide por la relación de salida el#ctrica de energa al /u$o incidente.
1
Figura '. r%ca eciencia relati*a *s profundi dad, para la determinacin de la profundidad límite.
En otras pala!ras& la inmersión de celdas fotovoltaicas a diferentes profundidades llevara a tener p#rdidas. or lo tanto un !alance entre la profundidad de agua y la m(0ima energa disponi!le de!era ser alcan+ado. or medio de la gr(,ca podemos o!servar "ue la profundidad no de!e e0ceder los 3 cm de agua. e"ue
L&%ido a %sar )ara el en'ria"ien$o, ara incrementar la e,ciencia de las celdas fotovoltaicas se utili+an los concentradores los cuales incrementan la e,ciencia al enfocar la radiación solar en un solo panel 6)amoos)i:. *a e,ciencia de las celdas concentradoras se ve afectada directamente por la temperatura. De manera general incrementar la temperatura de una celda disminuye su e,ciencia 6)u:. ara poder satisfacer las necesidades de enfriamiento de estos dispositivos se necesitan resistencias t#rmicas !a$as. 'e )an propuesto soluciones como micro-canales 6=. Koyne& 299?: y& la de importancia para este estudio& por inmersión directa en l"uido. Inmersión directa en l"uido consiste en sumergir una celda en un l"uido circulanteO esto reduce la resistencia de contacto t#rmico. 14
uc)a de la literatura en el tema se )a centrado en determinar el diel#ctrico l"uido óptimo y la forma en "ue el mismo afecta la óptica de la celda y sus caractersticas el#ctricas 6I8eya& 1A@1:. En un estudio m(s reciente en el tema& Ban& propuso un modelo y dise999 7Fm2. 'in em!argo& el rendimiento del módulo es esta!le al principio& pero despu#s se degrada incluso a una resistividad constante de 3 cm. 'e asume "ue la !a$a concentración de iones o la reacción electroltica son responsa!les de esta degradación. rue!as con aceites de silicona ser(n )ec)as en el futuro cercano 6)u:.
Pro)%es$a de Inves$i!acin
En la conclusión de su tra!a$o de 2919& U7ater immersion cooling of H cells in a )ig) concentrationV& )u e0presa la posi!ilidad de "ue la reacción electrólitica "ue ocurre en las terminales de la celda fotovoltaica puede estar relacionada con la degradación de e,ciencia "ue se ve en la celda. En otros tra!a$os reali+ados por el mismo e"uipo de investigación 6Ban& 2919:& pro!aron la relación de la e,ciencia con el caudal y con la concentración iónica del /uido 13
de enfriamientoO pero& en la investigación !i!liogr(,ca "ue reali+aron los autores de este tra!a$o& no se encontró información concerniente a prue!as reali+adas para determinar la relación de los electrodos con la e,ciencia de las celdas en este conte0to. *os autores de este tra!a$o proponen iniciar una investigación para encontrar la relación entre las propiedades de los electrodos y la e,ciencia de un grupo de celdas inmersas en un /uido de resistividad constante.
i)$esis odemos formular lo siguiente como planteamiento del pro!lema "ue trataremos de resolver. *a reacción en los electrodos de las celdas fotovoltaicas afecta negativamente el desempe
Me$odolo!&a )ara la inves$i!acin Keali+ar la investigación en este tema re"uiere de e"uipo de medición detallado. Tam!i#n re"uiere de e"uipo de control para mantener constantes las propiedades del /uido de tra!a$o "ue pueden cam!iar por su interacción con la celda. roponemos utili+ar un sistema como el propuesto por )u en su investigación del 2919O el sistema se muestra en la ,gura 3
1>
Figura +. Sistema propuesto por -u, para el an%lisis por inmersin de un panel foto*oltaico.
*os sistemas de control del sistema permiten controlar principalmente tres cosas •
•
•
El intercam!iador de calor UBeat E0c)angerV en la ,gura. 'e utili+a para controlar la temperatura del /uido. *a forma de control involucra determinar la temperatura en el panel y modi,car la cantidad de /uido "ue se intercam!ia para mantener la temperatura de la celda. Intercam!iador de Iones UIon-e0c)ange ColumnV en la ,gura. Controla la resistividad del /uido de tra!a$o. 'u mecanismo de funcionamiento se !asa en controlar la cantidad de iones presentes en el /uido de tra!a$o. Jom!as y v(lvulas Controlan el caudal del /uido de tra!a$o.
O.=e$os de inves$i!acin 'e reali+aran correcciones al sistema de )u para pro!ar otros e0perimentos& las correcciones propuestas se detallan a continuación. •
Celdas a utili+ar. 'e utili+aran tres tipos de celdas. Celdas solares por contacto posterior& celdas solares de canal sumergido y celdas solares de construcción com%n.
1?
•
•
odi,caciones al panel solar. ara modi,car el contacto de los electrodos con el /uido de tra!a$o se cu!rir(n los electrodos de la parte posterior con pl(stico. 'e utili+aran otros /uidos de enfriamiento. Es necesario evaluar si los dispositivos pueden funcionar correctamente en este caso.
Ti)os de celdas a %$iliBar *a revisión de la !i!liografa en la manufactura de celdas solares& muestra "ue e0isten diversos tipos de celdas. ara esta aplicación se escogieron las "ue se consideran de mayor uso. 'e presenta un resumen de cada una a continuación.
Celdas de contacto trasero =lcan+an potencialmente una mayor e,ciencia moviendo todo o parte de las re$illas de contacto frontales a la parte trasera del dispositivo. *a mayor e,ciencia potencial resulta de la reducción de som!reado en la parte frontal de la c#lula y es especialmente %til en las c#lulas de alta corriente tales como concentradores o (reas grandes. E0isten varias con,guraciones 6C)ristiana Bons!erg:
Figura +. elda solar de contacto trasero interdigitada (-ristiana / onsberg).
Celdas por serigrafa
1@
5ueron desarrolladas en los a
Figura 6. elda Solar Est%ndar (/onsberg).
Celdas de contacto )undido Es una tecnologa solar comercial de alta e,ciencia de celdas !asado en el contacto de un enc)apado metal en el interior de una ranura formada por l(ser. *a tecnologa de contacto )undido supera muc)as de las desventa$as asociadas con los contactos serigra,ados y esto permite "ue la c#lula solar contacto enterrado tenga un rendimiento )asta un 23Y me$or "ue las c#lulas solares serigra,ados comerciales 6C)ristiana Bons!erg& H ED;C=TIZ:. =dem(s de !uenas propiedades de re/e0ión& la tecnologa de contacto )undido tam!i#n permite p#rdidas por resistencia parasitarias !a$as de!ido a su alta relación de aspecto metal 6C)ristiana Bons!erg& H ED;C=TIZ:. *as venta$as de e,ciencia de la tecnologa de contactos )undidos proveen !ene,cios de coste y de rendimiento signi,cativas. En t#rminos de [ F 7& el costo de una celda solar de contactos )undido es la misma "ue una c#lula solar serigra,ado o impresa 6C)ristiana Bons!erg& H ED;C=TIZ:.
1A
Figura 0. n diagrama es!uem%tico de una celda solar de contactos -undidos (-ristiana /onsberg, P2 E34T#5).
Ti)os de re'ri!eran$e 'e )an escogido los siguientes refrigerantes de!ido a "ue ya fueron utili+adas en otro e0perimento con ,nes similares. 6Dar\is)& 2911: • • •
=gua desioni+ada =lco)ol isopropilico =cetato etlico
*i"uidos diel#ctricos Color ]ndice de refracción Constate el#ctrica Densidad 6gFm: Calor especi,co 6F8g: Conductividad t#rmica 67Fm: Hiscosidad din(mica 6a s: unto de e!ullición 6oC:
=gua desioni+ada Transparente 1. @9.4 1999 41@1
=lco)ol isopropilico Transparente 1.?? 1@. ?@> 2?21
=cetato etlico Transparente 1.? >.9 9.@A? 1A2
9.3@
9.1>
9.14
9.999@A
9.992
9.9994
199
@2
?? 29
Transmitacia espectral
9.@992
9.@9
9.@92A
Tabla 7. 8esumen de propiedades de refri gerantes escogidos (3aris-, 7:11)
E)eri"en$os )ro)%es$os Cómo se mencionó se utili+aran tres tipos de celdas distintas. Estas celdas se distinguen por el material de los electrodos& la locali+ación y el tama
Res%l$ados es)erados *os resultados se presentaran en gr(,cos. *os gr(,cos incluir(n mediciones en el tiempo de las tres propiedades de la celda "ue se consideran indicadores del desempe
21
Consideraciones -nales Gran parte del e0perimento depende la ad"uisición de materiales costosos y "ue no est(n disponi!les en los la!oratorios de la universidad. or lo "ue se de!e de reali+ar un an(lisis de costos ante utilidad antes de aceptar estos resultados. Tal ve+ sea una me$or idea !uscar un tra!a$o con$unto con el e"uipo de )u para recortar costos.
Re'erencias 0i.lio!r#-cas
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