“Cogeneración mediante efecto

Seebeck, Peltier y Tompson:

Un nuevo reto“

I.E.S. MELÉNDEZ VALDÉS

2º BACHILLERATO

VILLAFRANCA DE LOS BARROS

1.- Fase previa.

1.1 Enmarcación del fenómeno.

1.2 Observación del fenómeno.

1.3 Fundamentos teóricos y estado de la cuestión.

1.4 Fase inicial de diseño de la experimentación: selección de las variables y

parámetros.

1.5 Formulación de hipótesis

1.6 Predicción.

1.7 Diseño de la experiencia.

2.- Elaboración del modelo.

2.1 Obtención de las observaciones, medidas y procedimientos experimentales.

2.2 Recogida de datos cuantitativos y cualitativos.

3.- Diseño de la experiencia.

3.1 Experiencias realizadas.

3.2 Datos obtenidos y gráficos.

4.- Contrastación del modelo: Reflexión sobre la investigación.

9.1. Resumen.

9.2. Limitaciones de la investigación

9.3. Validación de la hipótesis y discusión

9.5. Formulación de modelos

5.- Valoración global de la investigación.

6.- Documentos gráficos.

1.- FASE PREVIA DE PREPARACIÓN

1. Enmarcación del fenómeno:

Nos situamos en la población de Villafranca de los Barros (Badajoz), aunque

ahora trabajaremos principalmente en el taller de tecnología y también en el patio del

centro.

CT1.2. Observación de fenómeno:

Para realizar este trabajo hemos buscado información en Internet y también

hemos realizado algunas prácticas con células Peltier en sentido inverso, es decir,

aplicando el efecto Seebeck. En vez de producir frío, hemos producido electricidad

incorporándole calor, con objeto de determinar los rangos de temperaturas en los que

se produce electricidad en función de las diferencias de temperaturas entre las placas.

Bibliografía o documentos de los que hemos obtenido información:

Prácticas del área de Ingeniería Térmica de la Universidad Carlos III. Madrid.

Prácticas física ambiental de la Universidad de Huelva.

Prácticas de tecnología de fluidos y calor. Departamento de física aplicada. Universidad

de Sevilla.

Patterson, G. “Efecto Peltier”. Dpto de física FCEyN. 2007.

Chialvo, Caser: “Efecto termoeléctrico. Teoría Básica y aplicada. XXXX.

Bollati, Eduardo: “Generadores Termoeléctricos”. Corporex. S.A. 2007.

Espejo-López. Gabino: “Termoelectricidad”. XXXX.

Thermoelectric Handbook, Ed. Rowe DM - Chemical Rubber Company, Boca Raton

(Floride) 1995.

GS Nolas , Thermoelectric, basic principles and new materials developments, Springer

2001.

GD Mahan, Thermoelectric materials: new approaches to an old problem, Physics

Today, Vol. 50 (1997), p42.

Wikipedia

Sociedad Internacional de Termolectricidad {en} : http://www.its.org/

1.3 Fundamentos teóricos y estado de la cuestión: desarrollo teórico obtenido de

diferente bibliografía.

El efecto termoeléctrico en un

material relaciona el flujo de calor que

lo recorre con la corriente eléctrica que

lo atraviesa. Este efecto es la base de

las aplicaciones de refrigeración y de

generación de electricidad: un

material termoeléctrico permite

transformar directamente el calor en

electricidad, o bien generar frío

cuando se le aplica una corriente

eléctrica.

Aspectos históricos

1.- El primer efecto termoeléctrico fue descubierto por el físico alemán Thomas

Johann Seebeck en 1821. Seebeck se dio cuenta de que una aguja metálica es desviada

cuando se la sitúa entre dos conductores de materiales distintos unidos por uno de sus

extremos y sometidos a una diferencia de temperatura.

Este efecto es de origen eléctrico, ya que al unir dos materiales distintos y

someterlos a una diferencia de temperatura aparece una diferencia de potencial. La

principal aplicación práctica del efecto Seebeck es la medida de temperatura mediante

termopares.

2.- En 1834, el físico francés Jean-Charles Peltier descubrió el segundo efecto

termoeléctrico: en la unión de dos materiales diferentes sometidos a una corriente

eléctrica aparece una diferencia de temperaturas.

3.- El físico inglés William Thomson (Lord Kelvin) demuestra en 1851 que los

efectos Seebeck y Peltier están relacionados: un material sometido a un gradiente de

temperatura y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio

exterior. Recíprocamente, un material sometido a un gradiente de temperatura y

recorrido por un flujo de calor genera una corriente eléctrica. La diferencia fundamental

entre los efectos Seebeck y Peltier considerados por separado y el efecto Thomson es la

existencia de este último en un único material, sin necesidad de que exista una unión

entre materiales distintos

4.- En 1885 el físico inglés Rayleigh J.W. planteó la posibilidad del uso de

dispositivos termoeléctricos como generadores de corriente eléctrica. Sin embargo, pese

a que los fenómenos termoeléctricos son bien conocidos desde hace ya más de cien

años, su desarrollo, tanto como generador de corriente o como refrigeración, estuvo

totalmente frenado debido a los escasos rendimientos que se obtenían. Como

consecuencia, la mayor parte de las aplicaciones termoeléctricas, que han ido

desarrollándose desde hace más de 30 años han sido para campo militar, donde es más

importante la robustez y precisión que la eficiencia o el coste. En el mercado civil

actual, la refrigeración termoeléctrica tiene un sitio en aplicaciones de medicina,

aparatos científicos y en dispositivos en los cuales la potencia de refrigeración es muy

pequeña y de puntual aplicación.

¿Qué ha ocurrido con los pronósticos tan optimistas, que tras el gran avance que

supuso la incorporación de los materiales semiconductores a la termoelectricidad, tenían

los investigadores de la década de 1960 sobre la refrigeración termoeléctrica? ¿Por qué

no se ha logrado la eficiencia frigorífica que se esperaba?

Aplicaciones de la termoelectricidad

Las aplicaciones actuales y potenciales son los materiales termoeléctricos se

basan en dos aspectos del efecto Thomson:

Por un lado, el establecimiento de un flujo de calor, opuesto a la difusión

térmica, cuando un material sometido a un gradiente de temperatura es atravesado por

una corriente eléctrica, permite pensar en aplicaciones de refrigeración termoeléctrica.

Esta solución alternativa a la refrigeración clásica que utiliza ciclos de compresión-

expansión no necesita de partes móviles, lo que incrementa su fiabilidad y elimina los

ruidos y vibraciones.

Estas propiedades son fundamentales en aplicaciones en las que la temperatura

debe ser regulada de forma muy precisa y fiable, como por ejemplo en los contenedores

empleados en el transporte de órganos para trasplantes o en aquellas en las que las

vibraciones son un inconveniente grave, como por ejemplo los sistemas de guía basados

que emplean láser o los circuitos integrados. Además, la posibilidad de crear un flujo

térmico a partir de una corriente eléctrica de manera directa hace inútil el empleo de

gases como el freón, que resultan perjudiciales para la capa de ozono.

Por otra parte, la posibilidad de convertir un flujo de calor en corriente eléctrica

permite aplicaciones de generación eléctrica mediante efecto termoeléctrico, sobre

todo a partir de fuentes de calor residual como los tubos de escape de los automóviles,

las chimeneas de los incineradores, los circuitos de refrigeración de las centrales

nucleares. El uso de esta tecnología supondría en estos casos una mejora en el

rendimiento energético del sistema completo de manera «limpia». El calor residual es

aprovechado para obtener un mayor aprovechamiento de la energía. Por ejemplo, el

empleo de la termoelectricidad en los automóviles permitiría suplir parcialmente el

trabajo del alternador, reduciendo así aproximadamente en un 10% el consumo de

combustible.

Además, la gran fiabilidad y durabilidad de estos sistemas (gracias a la ausencia

de partes móviles) ha motivado su empleo en la alimentación eléctrica de sondas

espaciales, como ocurre en la sonda espacial Voyager, lanzada al espacio en 1977. En

ella el flujo de calor establecido entre el material fisible PuO2 (el PuO2 es radiactivo y se

desintegra, constituyendo entonces una fuente de calor) y el exterior atraviesa un

sistema de conversión termoeléctrica a base de SiGe (un termopar de silicio y

germanio), permitiendo de esta manera la alimentación eléctrica de la sonda (las sondas

espaciales no pueden alimentarse mediante paneles solares más allá de Marte, ya que el

flujo solar es demasiado débil).

Los sistemas de conversión que utilizan el efecto termoeléctrico tienen un

rendimiento muy pequeño, ya sea generando electricidad o funcionando como

refrigeradores. De momento sus aplicaciones están limitadas a sectores comerciales en

los que la fiabilidad y la durabilidad son más importantes que el precio. Sin embargo la

termoelectricidad fue utilizada extensamente en las partes alejadas de la Unión

Soviética durante la década de 1920 para accionar radios. El equipo utilizaba barras de

bimetal, un extremo de las cuales se insertaba en la chimenea para conseguir calor, y el

otro extremo se ponía en el exterior, en el frío.

Principios fundamentales

La conversión de energía por efecto termoeléctrico (en el sentido calor →

electricidad o electricidad → calor) se basa a su vez en los efectos Seeebeck, Peltier y

Thomson.

Los coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson

Coeficiente Seebeck

Una diferencia de temperatura dT entre las uniones de dos materiales distintos a y b

implica una diferencia de potencial eléctrico dV según la ecuación:

El coeficiente Seebeck, también llamado "Poder Termoeléctrico" se mide en

V.K-1

Los coeficientes Seebeck de ambos materiales por separado se relacionan con el

coeficiente Seebeck del par según:

Coeficiente Peltier

En el caso del efecto Peltier, una corriente eléctrica I recorre un

circuito formado por los dos materiales, lo que conlleva una

liberación de calor Q en uno de los materiales y una absorción en

el otro, según la ecuación:

Coeficiente Thomson

Al contrario que los coeficientes Seebeck y Peltier, el coeficiente Thomson

puede definirse directamente para un único material. Cuando existen simultáneamente

un gradiente de temperatura y una corriente eléctrica hay una generación o absorción de

calor en cada segmento del material considerado individualmente. El gradiente del flujo

térmico en el seno del material viene dado por:

donde x es la coordenada espacial y τ es el coeficiente Thomson del material.

Relaciones entre los coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson

Kelvin demostró que los tres coeficientes Seebeck, Peltier y Thomson no eran

independientes entre sí, estando relacionados por las ecuaciones:

Principios de la conversión de energía por efecto termoeléctrico

Para la refrigeración o la generación de electricidad por efecto termoeléctrico, un

"módulo" está constituido por "pares" conectados eléctricamente. Cada uno de estos

pares está formado por un material semiconductor de tipo P (S>0) y de un material tipo

N (S<0). Ambos materiales están unidos por un material

conductor cuyo poder termoeléctrico se supone que es nulo.

Las dos ramas (P y N) del par y todas las de los otros pares

que componen el módulo se conectan eléctricamente en serie,

y en paralelo desde el punto de vista térmico. Esta disposición

permite optimizar el flujo térmico que atraviesa el módulo y

su resistencia eléctrica. Para simplificar, todo el desarrollo que

sigue se realizará para un único par, formado por materiales de

sección constante.

La corriente eléctrica es impuesta de tal manera que los portadores de carga

eléctrica (electrones y huecos) se desplazan de la fuente fría a la caliente (en el sentido

termodinámico) en las ramas del par. Al hacer esto, contribuyen a una transferencia de

entropía de la fuente fría a la caliente, y por tanto a un flujo térmico que se opone al de

la conducción térmica. Si los materiales utilizados tienen buenas propiedades

termoeléctricas (veremos a continuación cuáles son los parámetros más importantes),

este flujo térmico creado por el movimiento de los portadores de carga será más

importante que el debido a la conductividad térmica. El sistema permitirá entonces

evacuar el calor de la fuente fría hacia la fuente caliente, actuando entonces como un

refrigerador.

En el caso de la generación de electricidad, es el flujo de calor el que implica un

desplazamiento de los portadores de carga y por lo tanto, la aparición de una corriente

eléctrica.

Rendimiento de la conversión y parámetros importantes

Cálculo del rendimiento de la conversión en un sistema termoeléctrico

El cálculo del rendimiento de la conversión que realiza un sistema

termoeléctrico se efectúa determinando la relación entre el flujo de calor y la corriente

eléctrica en el material. Para ello se utilizan las relaciones de Seebeck, Pelt ier y

Thomson , pero también las leyes de transferencia de calor y de la corriente eléctrica.

El siguiente ejemplo presenta el cálculo del rendimiento de la conversión en el

caso de la refrigeración (el caso de generación eléctrica puede realizarse haciendo

razonamientos análogos).

Retomemos el esquema precedente. En cada una de las ramas del par, el flujo de

calor generado por el efecto Peltier se opone a la conductividad térmica. El flujo total en

las ramas P y N será:

y

siendo x la coordenada espacial (λp y λn las conductividades térmicas de los materiales y

Ap y An sus secciones.

El calor se extrae de la fuente de frío con un flujo Qf :

Al mismo tiempo, la corriente que recorre las dos ramas es inicialmente el

resultado del calor por efecto Joule I2ρ/A por unidad de longitud de las ramas.

Utilizando la ecuación suponiendo que el coeficiente Thomson es nulo (esto hace

suponer que S es independiente de la temperatura, ver la relación de Thomson), la

conservación de la energía en el sistema se escribe en las dos ramas:

y

Considerando las condiciones en los límites, T=Tf en x=0 y T=Tc en x=Lp o

x=Ln con Lp y Ln las longitudes de las ramas P y N, Tf y Tc las temperaturas son las de

las fuentes de frío y calor, Qf se escribe :

con K y R las conductividad térmica y la resistencia eléctrica totales de cada una de las

ramas del par.

y

La potencia eléctrica W disipada en el par debida al efecto Joule y al efecto Seebeck es:

El rendimiento del sistema termoeléctrico de refrigeración corresponde al cociente entre

el calor extraído de la fuente fría y la potencia eléctrica disipada, es decir:

Para una ΔT dada, el rendimiento depende de la corriente eléctrica que circula. Dos

valores particulares de corriente permiten maximizar bien el rendimiento de la

conversión η o el calor extraído de la fuente fría Q_f.

Por un razonamiento similar, el rendimiento de un par P-N usado para generar

electricidad vendrá dado por la potencia eléctrica útil consumida por una resistencia de

carga R con un flujo térmico atravesando el material:

En este caso también existen dos valores particulares de I que maximizan el rendimiento

de la conversión o bien la potencia eléctrica entregada por el sistema.

Parámetros importantes para obtener un buen rendimiento

Maximizando estos dos rendimientos de conversión, se puede demostrar que dependen

únicamente de las temperaturas Tf y Tc y de un número adimensional (sin unidades)

ZpnTM llamado "factor de mérito" (TM es la temperatura media del sistema,

TM=(Tf+Tc)/2) cuya expresión es:

Hay que remarcar que para un par termoeléctrico cualquiera, el valor de Zpn no es una

propiedad intrínseca del material, sino que depende de las dimensiones relativas del

módulo, dada la relación existente entre las dimensiones y R y K (resistencia eléctrica y

la conductividad térmica). El rendimiento de conversión del sistema (funcionando como

generador eléctrico o como dispositivo de refrigeración) es máximo cuando Zpn es

máximo, es decir, cuando el producto RK es mínimo, lo que sucede cuando:

En este caso, el factor de mérito Zpn se convierte en una función exclusiva de los

parámetros intrínsecos de los materiales:

Así, para conseguir un óptimo rendimiento de la conversión conviene elegir los

materiales que forman el par de forma que se maximice Zpn. Como regla general, esto

no se limita simplemente a optimizar los factores de mérito individuales de cada

material que forma el par Z=S2/(ρλ). En la mayoría de temperaturas utilizadas en la

práctica, y sobre todo en aquellas empleadas para la generación de electricidad, las

propiedades termoeléctricas de los mejores materiales de tipo P y N son similares. En

estos casos, el factor de mérito del par es próximo al valor medio de los factores de

mérito individuales, y es razonable el optimizar los factores de mérito de cada uno de

los materiales de forma independiente.

La optimización de los materiales para su empleo en la conversión de energía mediante

efecto termoeléctrico pasa pues necesariamente por la optimización de sus propiedades

de conducción eléctrica y térmica, de manera que se maximice el factor de mérito:

Así pues, un buen material termoeléctrico poseerá simultáneamente un coeficiente

Seebeck elevado, una buena conductividad eléctrica, y una reducida conductividad

térmica.

El rendimiento del equipo refrigerante termoeléctrico ira en función de varios factores:

buen asentamiento de las células termoeléctricas tanto en el disipador del lado caliente

como en el bloque de ajuste, para evitar perdidas, en cuanto a los disipadores deben

poseer un coeficiente de conductividad adecuado y una superficie lo mas grande

posible, para que la evacuación de calor sea efectiva, procurando al disipador de calor

una convección forzada suficiente, para facilitar la

emisión de calor al exterior, por que cuanto mas baja

mantengamos la temperatura del lado caliente menores

temperaturas obtendremos en lado frío, dado que el

salto térmico de las células termoeléctricas permanece

aproximadamente constante, también es importante

calcular la intensidad de funcionamiento optimo, para

obtener el máximo rendimiento.

Las placas multinivel nos permite conseguir saltos térmicos importantes frente a la

temperatura ambiente, pudiendo llegar incluso a diferencias de 130ºC. Las potencias a

disipar, a medida que aumentamos los gradies térmicos son cada vez menores, pero las

ventajas de poder refrigerar puntualmente son muy importantes.

Evolución del rendimiento de conversión en función del factor de mérito

La figura de al lado muestra la evolución del rendimiento de conversión de un sistema

termoeléctrico en las condiciones ideales en función del factor de mérito ZT. Por

ejemplo, si ZT=1 y la diferencia de temperatura es de 300ºC, el rendimiento de

conversión será del 8%, lo que significa que según el caso considerado (generación de

electricidad o refrigeración) que el 8% del calor que atraviesa el material será

convertido en electricidad, o bien que el calor extraído por el elemento refrigerador

corresponderá al 8% de la potencia eléctrica empleada.

Módulos termoeléctricos

Optimización geométrica

Hemos visto que las propiedades de conversión del par de materiales termoeléctricos

que constituyen un módulo no son exclusivamente intrínsecas, también dependen de la

geometría del sistema (longitud y sección de las ramas del módulo) que influye a su vez

en la resistencia eléctrica R y la conductividad térmica K de las ramas. En efecto,

resulta necesario que K sea lo bastante reducida para que un gradiente térmico pueda

mantenerse, pero también debe ser del valor suficiente como para que el calor pueda

recorrer el módulo: si K es nulo, ningún calor recorrerá el módulo y entonces no hay

conversión. Del mismo modo, R debe elegirse de manera que se alcance el mejor

compromiso posible entre la potencia eléctrica y la diferencia de potencial eléctrica.

Una vez elegidos los materiales que forman el módulo (gracias al factor de mérito ZT),

es necesario optimizar la geometría del sistema para poder conseguir el rendimiento de

la conversión, la potencia eléctrica o la mayor extracción de calor posible en función de

la aplicación del módulo.

Módulos segmentados

En general, los materiales empleados en la fabricación de módulos de conversión

termoeléctrica sólo son eficaces en un determinado rango de temperaturas. Así, por

ejemplo, la aleación SiGe usada para alimentar la sonda Voyager sólo es eficaz a

temperaturas superiores a los 1000K aproximadamente. En aplicaciones en las que el

rango de temperaturas de trabajo es muy grande, resulta interesante usar varios

materiales termoeléctricos en cada rama, cada uno de ellos con un intervalo de

temperaturas en el que se maximiza su rendimiento. En estos casos se dice que el

módulo termoeléctrico está segmentado.

Módulo termoeléctrico "segmentado"

La figura de al lado ilustra el concepto de módulo termoeléctrico segmentado.

En este caso tenemos un gradiente de temperatura muy importante (700K de diferencia

entre la zona caliente y la fría), y ningún material conocido es eficaz en todo este rango

de temperatura. Cada una de las dos ramas del par está entonces formada por varios

materiales (en el caso representado dos para la rama N y tres para la rama P). La

longitud de cada uno de estos materiales se elige de forma que sean utilizados en el

rango de temperaturas en el que sean más eficaces. Por lo tanto, un módulo construido

de esta manera permitiría lograr un rendimiento de conversión, una potencia eléctrica o

una extracción de calor, más elevada que si cada rama estuviera compuesta de un único

material. De esta forma, los mejores rendimientos logrados en laboratorio con este tipo

de módulos son actualmente próximos al 15% (lo que significa que el 15% del calor que

recorre el material es convertido en potencia eléctrica). Sin embargo, los módulos

segmentados resultan mucho más caros que los módulos "simples", lo que restringe su

empleo a aplicaciones en las que el coste no resulta un factor decisivo a la hora de la

elección.

Materiales termoeléctricos

Materiales empleados en los módulos actuales

Aplicaciones a bajas temperaturas

El material termoeléctrico más comúnmente utilizado a bajas temperaturas (150K-

200K), está formado sobre la base de Bi1-xSbx (una aleación de bismuto y antimonio)

pero desafortunadamente sólo posee buenas características termoeléctricas para el tipo

N (conducción por electrones), lo que reduce el rendimiento de conversión del sistema,

puesto que ningún material tipo P es eficaz a estas temperaturas (recordemos que un

sistema de conversión termoeléctrica se compone de ramas tipo P y N). Curiosamente, a

pesar de que sus propiedades son relativamente medias (ZT~0,6), la aplicación de un

campo magnético permite duplicar el factor de mérito, superando la unidad. Esta

propiedad hace que estos materiales se empleen asociados a un imán permanente.

Aplicaciones a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente

Actualmente, el material más estudiado es el Bi2Te3 (aleación de bismuto y

telurio). Se emplea en dispositivos que funcionan a temperaturas próximas a la

ambiente, lo que incluye a la mayoría de los dispositivos de refrigeración

termoeléctrica. Las mejores prestaciones se han obtenido con la aleación Sb2Te3 (una

aleación compuesta por antimonio y telurio) que posee la misma estructura cristalina.

Pueden conseguirse tanto muestras de tipo P como N, simplemente por medio de

pequeñas variaciones de la composición en las proximidades de la estequiometría. En

ambos casos los valores del factor de mérito ZT se aproximan a la unidad 1 a

temperaturas cercanas a la ambiente. Estos buenos valores ZT se obtienen en parte

gracias a la muy reducida conductividad térmica λ, que aproximadamente es de 1 W.m-

1.K

-1 en los mejores materiales.

Aplicaciones a temperaturas intermedias

Para su empleo a temperaturas medias (entre los 550K y 750K aproximadamente), el

material más empleado es el telurio de plomo PbTe y sus aleaciones (PbSn) Te (Sn =

estaño). Ambos compuestos, PbTe y SnTe pueden formar una solución sólida completa

lo que permite optimizar la banda prohibida del semiconductor al valor deseado. Los

mejores materiales obtenidos poseen factores de mérito próximos a la unidad a una

temperatura cercana a los 700K.Sin embargo, estos valores se obtienen únicamente en

materiales de tipo N. Por tanto, actualmente el PbTe no puede constituir por si solo las

dos ramas de un termoelemento. La rama P se construye generalmente con un material

de tipo TAGS (por sus componentes Telurio-Antimonio-Germanio-Plata), que alcanzan

valores de mérito superiores a la unidad a 700K pero exclusivamente para el tipo P.

Por lo tanto, resulta crucial descubrir un material que pueda emplearse como

tipo P y N en esta gama de temperaturas, ya que industrialmente, resulta más fácil

emplear el mismo material para las dos ramas, eliminando además la necesidad de

emplear Telurio, que es extremadamente tóxico.

Aplicaciones a altas temperaturas

Las aleaciones a base de silicio y germanio poseen buenas características

termoeléctricas a altas temperaturas (por encima de 1000K) y son utilizadas

principalmente para la generación de electricidad en el campo espacial.

De este tipo son las aleaciones utilizadas para la alimentación eléctrica de las

sondas espaciales.

Optimización de materiales termoeléctricos

La expresión del factor de mérito ZT=(S2T)/(ρλ) resume por sí sola la dificultad de

optimizar las propiedades de un material termoeléctrico. De forma intuitiva parece

difícil que un material posea simultáneamente una buena conductividad eléctrica y una

mala conductividad térmica, que es una característica de los materiales aislantes. En el

caso ideal, un buen material termoeléctrico debería poseer la conductividad eléctrica de

un metal y al mismo tiempo la conductividad térmica de un vidrio!

Al numerador del factor de mérito ZT, S2σ (σ es la conductividad eléctrica,

inversa de la resistividad eléctrica: σ=1/ρ) se le llama factor de potencia. En

aplicaciones de generación de electricidad mediante el efecto termoeléctrico, la potencia

útil será tanto más grande cuanto mayor sea el factor de potencia. Por desgracia, el

coeficiente Seebech y la conductividad eléctrica no son independientes entre sí, y varían

de manera contraria con la concentración de los portadores de carga (concentración de

electrones o huecos, véase semiconductor): los mejores poderes termoeléctricos se

conseguirán con materiales con una pequeña concentración de portadores mientras que

las mejores conductividades eléctricas se obtienen con materiales con una fuerte

concentración de portadores. La solución de compromiso entre ambos factores

implica la utilización de semiconductores como materiales termoeléctricos.

El segundo factor importante en la expresión del factor de mérito ZT (además

del factor de potencia) es la conductividad térmica: un material tendrá propiedades

termoeléctricas óptimas si posee una débil conductividad térmica. En efecto, de forma

intuitiva, una buena conductividad térmica tendería a oponerse al establecimiento del

gradiente térmico: el calor atravesaría el material sin dificultad. Así, para optimizar los

materiales, el objetivo sería disminuir la conductividad térmica sin degradar la

conductividad eléctrica. Sólo la contribución de las vibraciones de la red deberá

entonces reducirse, no la contribución a la conducción debida a los portadores de carga

(electrones y huecos).

Ventajas de los módulos Peltier-Seeck

En el estudio de aplicaciones que pueden usar la refrigeración termoeléctrica, así

como la elaboración de diferentes equipos de refrigeración que satisfagan las

necesidades actuales en este campo hay que tener en cuenta que la refrigeración por

métodos termoeléctricos podría sustituir en bastantes casos a los sistemas de

refrigeración actuales, eliminando así el uso de los CFC, gases contaminantes que

destruyen de la capa de ozono.

Además de esta, la refrigeración termoeléctrica posee diversas ventajas, entre las que

se pueden destacar:

� Producción de frío y calor indistintamente simplemente invirtiendo la polaridad de la

tensión aplicada.

� Ser totalmente silenciosas, así como no producir vibraciones.

� Fácil variación de la potencia refrigerante, actuando sobre la tensión de alimentación.

� No necesitan mantenimiento.

� No posee elementos móviles.

� Asegura la estanqueidad del elemento a refrigerar.

� Puede funcionar en cualquier posición.

En función de las características de la refrigeración termoeléctrica expuestas, el

campo de estudio y aplicación de esta es muy amplio. Es posible el estudio de

aplicaciones concretas tales como: refrigeración de cuadros eléctricos, refrigeración de

frigoríficos portátiles.

Son importantes las aplicaciones alternativas que puedan utilizar el efecto

termoeléctrico, como pueden ser aplicaciones en medicina, sistemas de refrigeración de

aire acondicionado para habitáculos reducidos, etc.

Vías de investigación

Los mejores materiales utilizados en la construcción de dispositivos de

conversión termoeléctrica poseen factores de mérito ZT de valor cercano a 1. Este

valor no permite obtener rendimientos de conversión que hagan estos sistemas rentables

para aplicaciones destinadas al "gran público". Por ejemplo, harían falta materiales con

un ZT=3 para poder desarrollar un refrigerador doméstico competitivo. En el caso de

sistemas de generación de electricidad (que podrían utilizarse, por ejemplo, en los tubos

de escape de coches o camiones, o sobre microprocesadores, es posible aumentar la

rentabilidad de los sistemas de dos formas: incrementando significativamente sus

rendimientos (consiguiendo por ejemplo un ZT>2), o bien reduciendo sus costes de

producción. Resumiendo, el objetivo de este párrafo es exclusivamente presentar de una

forma no exhaustiva las vías de investigación abiertas en la actualidad, tanto en

laboratorios industriales como públicos.

Productos que existen en el mercado:

Estos productos actualmente están en el mercado junto con sus precios y

vínculos de las tiendas que lo ofertan.

Mod. aire-aire

Células

Mod. agua-agua

Selección de artículos - Termoelectricidad

Modulo de agua- agua 50W

€238.00

Modulo Aire Aire 80x60

€210.00

Célula termoeléctrica Peltier 25x25x3,8

€33.00

Célula termoeléctrica Peltier 40x40x3.9

€34.00

Célula termoeléctrica Peltier 10x10x3.9

€16.50

Módulo Aire Aire 180x84mm

€261.00

1.4. Fase inicial de diseño de la experimentación: Selección de las variables y

parámetros:

Para realizar esta parte de la investigación nos hemos basado principalmente en

dos variables, que son las siguientes: la tensión y la temperatura. La tensión y la

intensidad que se produce en una placa Peltier en función de las diferencias de

temperatura entre estas nos da una idea de la potencia aprovechable de estos sistemas. Y

por otra parte nos interesa saber que temperaturas podemos obtener de sistema externos

como son los colectores solares para obtener un recurso energético de forma sostenible

y con objeto de simular posibles procesos como son chimeneas, tubos de escape…

1.5. Formulación de hipótesis:

Creemos que se podría aprovechar diferentes elementos como chimeneas, tubos

de escapes de automóviles e incluso diseñar centrales que aprovechen las diferencias

de temperaturas entre una placa caliente y una fría para producir electricidad a bajo

coste.

1.6. Predicción:

Predecimos que en la actualidad se puede abrir un nuevo sistema de producción

de electricidad basado en efecto Peltier y que se puede cogenerar electricidad a bajo

costo debido a la bajada de los costes de producción de semiconductores

termoeléctricos.

1.7. Diseño de la experiencia:

Para realizar dicha experiencia realizaremos diferentes ensayos que nos

permitan determinar como funcionan estos sistemas, así como sus posibles utilizaciones

y aprovechamiento:

Ensayo 1:

Nos interesa saber que incrementos de tensión podemos obtener en función de

las diferencias de temperaturas entre las placas de estas células.

Para ello vamos a utilizar una célula con las siguientes características dadas por

el fabricante y determinaremos cual su comportamiento al someterla a distintas

temperaturas:

Grande Chica

Potencia 33 w 17 W

Máxima diferencia de temperatura: 70 º 67º

Voltaje: 15 V 8 V

Intensidad: 4 A 3,5 A

Máxima temperatura 150 º C 70ºC

Resistencia: 3,5 ohmios 1.8 ohmios

Tensión térmica 27 mV/K 15 mV/K

Tenemos dos modelos que llamaremos grande o chica según lo utilicemos en

función de la experimentación. La más pequeña la utilizaremos para comprobar el

efecto inverso frigorífico y eléctrico y la más grande para la generación eléctrica.

Ensayo 2:

Otro de los ensayo será determinar que incrementos de temperaturas podemos

obtener con un colector solar. En primer lugar ensayaremos con el faro de un coche y

posteriormente con una antena parabólica.

Hemos determinado un colector solar como sistema productor de calor, imitando

los últimos avances con el motor Stirling, ya que es una energía gratis que nos ofrece el

sol. Pero también se podría experimentar en chimeneas, cubiertas de barcos, tubos de

escape de coche y todo sistema que esté a distinta temperaturas con objeto de cogenerar

energía.

Ensayo 3:

Posteriormente estimaremos de forma teórica, al conjugar ambos sistemas

(colector solar – Célula) qué aprovechamiento máximo podemos obtener en función de

los datos obtenidos.

Ensayo 4:

Una vez estimado dicho rendimiento fabricaremos un colector con una antena

parabólica a la situaremos en su foco la placa Peltier para su comprobación. En esta fase

determinaremos cual es el comportamiento real de esta central y como podríamos

mejorarla si refrigeramos el foco frío con nieve artificial.

Ensayo 5:

En esta ensayo, que será ideal, estimaremos qué ocurriría si utilizamos un pozo

de nieve como foco frío de una central mayor.

Para realizar esta investigación hemos usado los siguientes materiales y

herramientas:

Tabla de madera como soporte de los objetos

Célula Peltier.

conductores

Botes de cristal para llenarlo de agua a diferentes temperaturas o hielo

Agua.

Polímetro para determinar tensiones e intensidades en la célula

Hielo.

Cafetera para suministrar agua caliente.

Cinta aislante para sujetar si es necesario los elementos

Destornillador.

Barrena.

Tornillos.

Termómetro digital con su sonda.

Faro de un coche que simule un colector solar.

Ordenador.

Folios.

Impresora.

Soldador.

Estaño.

Cola.

Velas para suministrar de forma continua una llama

Tijeras para metales.

Cables.

Tijeras.

Regla.

Alicates.

Motores.

Cámara de fotos.

Goma elástica.

Video

2.- ELABORACIÓN DEL MODELO.

2.1. Obtención de las observaciones, medidas y procedimientos

experimentales:

- Primer experimento: Producción de voltaje a través de la célula peltier a través

de unos botes que estaban a diferentes temperaturas.

Para hacer este primer experimento, hemos cogido dos botes de cristal, uno lleno de

hielo y otro de agua caliente y hemos colocado la célula peltier entre los botes. Después

medimos el voltaje que producía en función del gradiente de temperatura que se

produce.

- Segundo experimento: Observación de la variación de temperaturas dependiendo

del tiempo en un faro de un coche para ver hasta que temperatura máxima se puede

llegar.

Un faro de coche se expuso orientado al sol para determinar qué temperaturas

máximas se pueden obtener en este caso con un “colector solar” casero y así poder

determinar que rangos de temperaturas podemos obtener y en cuanto tiempo.

- Tercer experimento: Producción de electricidad a través de una célula peltier

alimentado con un colector y con nieve artificial.

Como mejora del sistema para producir electricidad, alimentamos de calor la

zona caliente de la célula y por otra parte enfriamos con nieve artificial la zona fría,

aumentando considerablemente el gradiente de temperatura.

- Cuarto experimento: Observación de la variación de temperatura con una antena

parabólica. Se repite el experimento del faro solar pero en este caso con una antena

parabólica.

- Quinto experimento. Determinación del comportamiento del conjunto antena

parabólica, célula Peltier y refrigerador. Para ello alimentamos caloríficamente la célula

con la antena parabólica y la refrigeramos con un enfriador de aluminio con objeto de

determinar cual es su comportamiento.

2.2 Recogida de datos cuantitativos y cualitativos.

2.2.1.- Diseño de las experiencias.

1 Experiencias realizadas.

2 Datos obtenidos y gráficos.

Experiencias con colectores solares:

Se han hecho varios experimentos

para determinar qué temperaturas

podemos alcanzar con un colector. De

todos ellos se han tomado las medias. En

el primer experimento vimos que no

pasábamos de 45 º de temperatura

partiendo de una temperatura ambiente de

20 º C, lo cual nos desanimó.

Observamos que cuanto más

estuvo el faro del coche al sol, a más

temperatura se encontraba y por lo tanto más voltaje podría generar. También

observamos que al final acaba estabilizándose la temperatura a unos 40 º, por lo que

existe un máximo del que no podemos pasar. Es decir, podíamos utilizar un salto

térmico de unos 25 º C.

Posteriormente en otros experimentos observamos que podíamos hacer arder

papel fácilmente en segundos. Esto nos determinó que nos sobraba temperatura para

alcanzar los requerimientos determinados por las placas, es decir, podemos alcanzar

0

10

20

30

40

50

T ºC

Tiempo en múltipos de 15 segundos

Variación de temperatura dependiendo

del tiempo

0

15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

165

180

195

210

225

240

255

270

285

300

315

330

unos 100º de diferencia de temperatura fácilmente con un simple faro de coche, por

lo cual nos tranquilizó y desechamos esté experimento. Es decir, ante la pregunta

¿podemos obtener más de 100 º de temperatura con un colector solar? La respuesta

es sí y en pocos segundos.

Experiencias con células Peltier:

Con la célula pequeña y con dos botes a

diferentes temperaturas fuimos tomando la

tensión que se producía en función de la

diferencia de temperatura que existía entre

ellos. El bote inferior tenía hielo con lo cual

aseguramos 0º de temperatura y bote superior

tenía agua caliente procedente de una

cafetera. Llegamos a obtener sobre 0,3

voltios a con una diferencia de 45 º de

temperatura. En el gráfico podemos ver que a medida que se va enfriando el bote

superior, la tensión producida es menor.

Interpretamos que con este experimento que cuanto mayor sea la temperatura,

mayor será el voltaje y viceversa. Este experimento nos responde a la pregunta:

¿Podemos obtener electricidad en una célula Peltier sometida a distintas temperaturas?

La respuesta es si y además de forma proporcional a esta.

En un segundo experimento, en vez de aportar calor con agua caliente, ya que era

muy dificultoso tomar las temperaturas con el termómetro, decidimos aplicar una llama

de mechero. Con sólo 5º ya se producía tensión y se alcanzaba 1 voltio fácilmente, se

llegó a alcanzar 2 voltios al aplicar nieve artificial en el foco frío.

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

Temperatura

Variación del voltaje respecto a la temperatura45,8

45,7

45,6

45,5

45,3

45,2

45,1

45

44,9

44,8

44,7

44,6

44,5

44,4

44,3

44,2

44,1

44

43,9

43,7

43,6

Se observa que la pendiente máxima es aproximadamente en el punto 130 º y su

valor sale un poco menor que sus características. 1,5-1,0/50= 10 mV/ºC. Se producen

intensidades de entre 10 mA a 500 mA ante las carga dadas por el fabricante.

En el siguiente experimento se trataba de determinar si podía con una carga

importante, para ello se cambió la célula y se puso la más grande (33 W). Se repitió

todos los experimentos anteriores nuevamente.

Por último se acopló a la célula un juguete tipo (un perro de juguete) que se

suele alimentar a 3 voltios. El resultado fue sorprendente pues funcionó sin ningún

problema. Funcionó a 1.98 voltios y 0,55 amperios, alcanzando un 2 % de rendimiento.

Este es menor que el dado por el fabricante (5 %), pero con las condiciones en las que

trabajamos nos parece interesante. No obstante, este experimento respondía a la

pregunta: ¿podemos generar electricidad para alimentar cargas importantes? La

respuesta es si.

Y para finalizar acoplamos una antena parabólica a la célula a la que se le

unieron enfriadores en la parte fría para evacuar el calor suministrado por la parábola a

la atmósfera y comprobamos su funcionamiento. Su ajuste ha sido muy difícil, ya que

nos se reflejaba en un punto, sino en una zona difusa y por otra parte no encontramos

pintura reflectante y tuvimos que hacerlo con pintura galvanizada, la cual no refleja

mucho. La temperatura en el foco no pasaba de 35 º C, estando la temperatura ambiente

a 20 º. Según el gráfico la diferencia de temperatura (15 º C) debía haber producido

sobre 0,4 a 0,5 voltios.

Para aumentar el rendimiento del sistema volvimos a repetir el experimento pero

esta vez enfriando con nieve artificial con objeto de simularlo con una fuente

refrigerante como podía ser agua. El resultado ha sido grandioso, pues se movía un

motor fácilmente.

La pregunta ante estos experimentos es: ¿Se puede generar electricidad con un

colector solar y una placa Peltier? La respuesta es si, pero con un rendimiento bajísimo.

TENSION

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 20 30 50 80 100

120

140

160

DIFERENCIA DE TEMPERATURA

VO

LT

IOS

TENSION

3.- CONTRASTACIÓN DEL MODELO.

3.1. Resumen.

Un conjunto de células Peltier pueden generar fácilmente electricidad

aprovechando las diferencias de temperaturas que se producen en diferentes sistemas.

Entre ellos las diferencias que existen en diferentes sistemas mediante generación,

siempre que exista una diferencia de temperatura.

Esto nos hace pensar en fachadas de cualquier casa, tejados, carreteras…

Además podíamos decir, que los costes de fabricación han bajado notablemente y esto

hace una oportunidad para su desarrollo, aunque su rendimiento sea algo más bajo.

Hemos querido demostrar que el desarrollo del menor coste de estas placas hacen

posible utilizarlos como sistemas generadores eléctricos o como sistemas de

cogeneración.

3.2. Limitaciones y/o marco de referencia.

El experimentar con una tecnología como son cafeteras, termómetros,

botes…nos limita mucho la capacidad para obtener datos precisos, ya que nuestro taller

no está acondicionado con buenos sensores o maquinaria. Es decir, nuestras respuestas

han sido más cualitativas que cuantitativas. No obstante, si podemos determinar la

posibilidad de que se pueda hacer o no. Si no podemos determinar el rendimiento exacto

o sencillamente es muy bajo; si podemos decir que se puede producir y generar

electricidad para aprovechar el calor residual de distintos sistemas como chimeneas,

tubos de escape, tejados o fachadas.

Otra limitación importante ha sido realizar los ensayos con una sola

célula, pero podíamos haberlo hecho con varias en serie o en paralelo, o incluso en

placas multiniveles o con módulos segmentados. Con placas multiniveles habría sido

posible, pero no con los módulos segmentados. Esto seguramente nos hubiera permitido

mejorar el rendimiento del sistema.

3.3. Validación de la hipótesis y discusión de la parte técnico

científica.

En general podemos decir que hemos acertado plenamente con nuestra

hipótesis: Se puede aprovechar el calor residual de diferentes procesos o incluso

utilizarlos directamente para producir electricidad con células Peltier de una forma

masiva, pero debemos matizar que el rendimiento es muy bajo comparado con otros

sistemas de generación de electricidad, lo cual nos hace prudentes hasta su mayor

desarrollo, aunque su coste menor compensa dicha circunstancia.

3.4. Formulación de modelos.

El abaratamiento de los costes de estas placas y la introducción y avance

de los elementos semiconductores va a permitir el uso industrial de esto elementos para

la producción masiva de electricidad. Será posible tener las fachadas, carreteras, tejados,

cascos de barcos, chimeneas o tubos de escape recubiertos no de células, sino de paneles

semiconductores para la generación de electricidad con una serie de ventajas tales como

producción de electricidad de forma silenciosa, sin contaminar el medio ambiente, sin

apenas mantenimiento y sin partes móviles, lo cual es una ventaja sobre las demás

formas de generación eléctrica.

10.- Valoración global de la investigación.

Lo mejor de este trabajo de investigación ha sido sin duda el aprendizaje de un

montón de cosas nuevas y desconocidas como el conocimiento de las aplicaciones de

las células Peltier.

Lo más duro y difícil ha sido la realización práctica de las experiencias, tanto la

repetición y toma de datos y sobre todo no lograr los objetivos en su máxima, tal y

como esperábamos. Creemos que parte de culpa es el no tener material sofisticado para

poder realizarlas.

En general tenemos buen sabor de boca pues hemos aprendido muchas cosas,

pero también nos queda cierto malestar al no conseguir rendimientos grandes de la

central ya que depende del sol que esté en ese momento.