Resumen I
CLIMATIZACIÓN MEDIANTE CÉLULAS PELTIER Autor: Herranz Pindado, Rocío.
Director: Rodríguez Pecharromán, Ramón.
Entidad Colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO El proyecto “Climatización mediante células Peltier” estudia el control de la
temperatura de un flujo de aire enfriado por células Peltier. Este proyecto se
engloba dentro de las tecnologías especiales de transformación, más en concreto
de la termoelectricidad. La tecnología termoeléctrica en el campo de la
climatización y/o refrigeración basada en el principio del efecto Peltier, permite el
bombeo de calor de un foco frío a un foco caliente cuando circula una corriente
eléctrica. El efecto Peltier ocurre cuando una corriente pasa a través de dos
materiales semiconductores (tipo n y tipo p) que están conectados entre sí por
puentes eléctricos. La corriente origina una transferencia de calor desde una unión
hasta la otra, de tal forma que una unión se enfría mientras que la otra se calienta.
Las células Peltier comerciales, constan de tres elementos principales: placas
cerámicas, puentes eléctricos y termoelementos.
Figura 1: Célula Peltier.
El principal objetivo de este proyecto es el control de la temperatura de un flujo
de aire en la denominada Unidad de Refrigeración Local (URL). El prototipo
URL es un pequeño dispositivo que podría denominarse ventilador activo ya que
crea un flujo de aire, pero además lo enfría o lo calienta según convenga en cada
caso. Se analiza el comportamiento del sistema con el objetivo de controlarlo de
manera óptima, teniendo en cuenta el máximo aprovechamiento de las células
Peltier y la eficiencia energética.
Resumen II
Figura 2: Prototipo Unidad de refrigeración local.
La unidad descrita consta de cuatro células Peltier, dos disipadores, dos
ventiladores, una tobera y un soporte de metacrilato. El prototipo está destinado a
refrigeración local en ambiente no climatizado o como complemento para
conseguir condiciones de confort térmico para una persona a través de un chorro
de aire frío dirigido hacia ella, en un ambiente climatizado.
El proyecto consiste, en primer lugar, en poner en funcionamiento el prototipo
empleando una placa de alimentación diseñada en anteriores proyectos y al mismo
tiempo analizar la corriente de alimentación al módulo termoeléctrico. En este
análisis se midió un rizado de corriente muy elevado por lo que se diseñó un filtro
inductivo para obtener un mayor rendimiento de las células. El siguiente paso fue
la identificación del sistema. Para ello se desarrolló una aplicación utilizando el
software Labview, que permite medir y llevar a cabo acciones de control a través
del hardware de adquisición y generación de datos de National Instruments.
Alimentación del servoamplificador
Servoamplificador12A8
Transformador
3.5 A max
20 V AC
55 V DC
Red 230 V AC
40 V AC
12 V DC
ALIMENTACIÓN DEL MÓDULO TERMOELÉCTRICO
ALIMENTACIÓN DE LOS VENTILADORES
Filtro LMódulo
termoeléctrico
Hardware DAQAdquisición de temperaturas
Tensión de mando
Adquisición de P1-8
USB
Software LabVIEW
VentiladoresReguladores de tensión
Figura 3: Esquema del sistema.
Resumen III
En la identificación del sistema, la estructura del modelo se ha basado en los
principios físicos que tienen lugar, que son los efectos Seebeck, Fourier y Joule.
El modelo obtenido por este método es un modelo de segundo orden con una
ganancia estática de -3.03, un cero positivo y dos polos negativos. Sin embargo, al
validar el modelo con ensayos reales en lazo cerrado, el modelo obtenido no
refleja el comportamiento real del sistema térmico, por lo que se decidió aplicar el
método de modelado por caja negra.
El modelado por caja negra se ha realizado a partir de un ensayo en lazo cerrado
con un control proporcional. La estructura del modelo se mantiene fija e igual a la
obtenida aplicando los principios físicos. Los parámetros del modelo se obtienen
realizando un ajuste por mínimos cuadrados. La siguiente función de
transferencia, que se obtiene aplicando técnicas de mínimos cuadrados, representa
el mejor modelo obtenido para realizar el diseño del control de temperatura del
flujo de aire que proporciona el prototipo.
( ) ( )( ) ( )0170280
3700370.s.s
.s.sP+⋅+−⋅
=
Finalmente a partir de este modelo se diseña un control PI para el control de la
temperatura del flujo de aire. La respuesta del control diseñado se muestra en la
Figura 4, se puede apreciar que el resultado es satisfactorio, ya que la temperatura
controlada sigue a la consigna con rapidez y precisión.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
15
20
25
30
35
40
Tiempo (min)
Tem
pera
tura
(ºC
)
Tª controladaTª ambienteTª calienteTª fríaTª referencia
Figura 4: Respuesta de un ensayo con un control PI.
Abstract I
AIR-CONDITIONING WITH PELTIER CELLS Author: Herranz Pindado, Rocío.
Manager: Rodríguez Pecharromán, Ramón.
Collaborating Entity: ICAI-Universidad Pontificia Comillas.
ABSTRACT The “Air-Conditioning with Peltier Cells” project studies the temperature control
of an output airflow, which is cooled by Peltier cells. The project is based upon
thermoelectricity, one of the special transformation technologies.
Thermoelectric technology in the field of the air conditioning and/or refrigeration
is based on the Peltier effect, which allows heat to be pumped from a cold area to
a warm area when an electrical current flows. The Peltier effect is observed when
an electrical current crosses two semiconductor materials (type n and type p) that
are connected by electrical conductors. The current creates a heat transfer from
one junction to another junction, so that one junction increases its temperature
whereas the other junction becomes colder.
Commercial Peltier cells consist of three elements: ceramic boards, electrical
conductors and thermo-elements.
Figure 1: Peltier cell.
The main objective of this project is temperature control of the output airflow of
the so-called Local Refrigeration Unit (LRU). The prototype LRU is a small
device that could be described as an active fan, in that it creates an airflow which
is cold or hot as desired. The project studies system behaviour with the purpose of
optimizing control systems, maximizing Peltier cell use and taking energy
efficiency into account.
Abstract II
Figure 2: Prototype Local Refrigeration Unit.
The described unit consists of four Peltier cells, two heat sinks, two fans, a nozzle
and a Perspex support. The prototype is designed for local cooling in an
environment without air conditioning, or for complementary local cooling or
heating in an environment with air conditioning, providing additional comfort.
The first step of the project consisted in getting the prototype working using a
power supply designed in a previous project. At the same time the input current to
the thermoelectric module was analyzed. In order to reduce power supply noise
and improve Peltier cell efficiency an inductive filter was designed.
The next step was system identification. A controller was implemented in
Labview using National Instruments data acquisition hardware.
Voltage input servo amplifier
Servo amplifier12A8
Transformer
3.5 A max
20 V AC
55 V DC
230 V AC
40 V AC
12 V DC
POWER SUPPLY OF THE THERMOELECTRIC MODULE
POWER SUPPLY OF THE FANS
FansVoltage regulators
Filter LThermoelectric
module
Temperature acquisition
Control voltage
P1-8acquisition
USB
Software LabVIEW
Hardware DAQ
Figure 3: Diagram of the device.
Abstract III
The structure of the model used in system identification is based upon the
physical processes: Seebeck effect, Fourier effect and Joule effect. The model
obtained by this method is a second order with a static gain of -3.03, one positive
zero and two negative poles. However, the predictions of the model did not
correspond with observed system behaviour. Hence it was decided to do system
identification using the black box method.
Black box modelling has been done using a closed-loop experiment with a
proportional controller. The model obtained using the black box method has the
same structure as the model derived from the physical processes. The following
transfer function has been determined using the least squares method. It is the best
system model for designing the air temperature controller.
( ) ( )( ) ( )0170280
3700370.s.s
.s.sP+⋅+−⋅
=
Using this system model a PI controller for airflow temperature has been
designed. The controllers’ response is shown in Figure 4. The result is successful
and it can be seen that the controlled temperature follows the setpoint accurately
and quickly.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
15
20
25
30
35
40
Time (min)
Tem
pera
ture
(ºC
)
Output temperatureAmbient temperatureHot temperatureCold temperatureSetpoint
Figure 4: Closed-loop experiment with control PI.
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