La niña de la imagen se llama Ann Makosinski, tiene 15 años y es una de las finalistas de la feria anual de ciencia que organiza Google. El motivo es una linterna que funciona simplemente con sostenerla en la mano.El sistema que utiliza no es nuevo y se basa en las células Peltier. Estos módulos se basan en un principio inverso al denominado efecto Peltier-Seebeck y son capaces de generar una corriente eléctrica gracias a la diferencia de temperatura entre dos superficies adyacentes.
El mérito de Makosinski es haber hecho los cálculos para integrar varias células Peltier en un dispositivo con la capacidad para convertir el calor de la mano en una corriente suficiente como para alimentar tres LED blancos. La joven, de tan sólo quince años, desarrolló varios prototipos hasta dar con dos funcionales en aluminio y PVC.
Ambas linternas funcionan mejor en entornos fríos que cálidos, pero son capaces de emitir luz constante durante al menos veinte minutos. Anna ha gastado 26 dólares en materiales. Si es elegida ganadora en septiembre habrá ganado 50.000. Eso por no mencionar el dispositivo sobre el que ya ha gestionado la patente. En el vídeo a continuación la propia Makosinski explica su creación y la muestra al final.
EFECTO PELTIER
El efecto peltier consiste en lo siguiente: Cuando se hace pasar una corriente por un circuito compuesto de materiales diferentes cuyas uniones están a la misma temperatura, se produce el efecto inverso al Seebeck. En este caso, se absorbe calor en una unión y se desprende en la otra. La parte que se enfría suele estar cerca de los 25º C, mientras que la parte que absorbe calor puede alcanzar rápidamente los 80º C.Lo que lo hace aún más interesantes es el hecho de que, al invertir la polaridad de alimentación, se invierta también su funcionamiento; es decir: la superficie que antes generaba frío empieza a generar calor, y la que generaba calor empieza a generar frío.
Gracias a los inmensos avances en el campo de semiconductores, hoy en día, se construyen sólidamente y en tamaño de una moneda. Los semiconductores están fabricados con Teluro y Bismuto para ser tipo P o N (buenos conductores de electricidad y malos del calor) y así facilitar el trasvase de calor del lado frío al caliente por el efecto de una corriente continua.
Como todo en esta vida, las unidades peltier también tienen algunos inconvenientes ha tener en cuenta. Como pueden ser el alto consumo eléctrico, o que dependiendo de la temperatura y la humedad puede producirse condensación y en determinadas condiciones incluso puede formarse hielo.
PORQUE SUCEDE EL EFECTO PELTIER
Cuando dos metales distintos se ponen en contacto (soldadura) aparece una diferencia de potencial (V) debida a que los electrones libres de uno de los metales tienen más energía que los del otro. Cuando se hace pasar una corriente eléctrica por la soldadura si la dirección de la corriente es contraria a la ddp los electrones tiene que ganar energía y lo extraen de los metales enfriando la soldadura. Mientras que si es a favor los electrones pierden energía cediéndola a la soldadura que se calienta.La cantidad de calor producida por estos fenómenos (Efecto Peltier) vienen dadas por Q = 0.24·V·i·t donde V es la ddp de contacto.El efecto Peltier es reversible y es lo que da lugar al efecto termoeléctrico (Seebek). Es decir cuando dos metales se sueldan formando un anillo (dos soldaduras) se puede producir una corriente eléctrica en el anillo si las dos soldaduras están a distinta temperatura.
QUIEN DESCUBRIO ESTE FENÓMENO
En 1834 cuando el físico francés Jean Charles Peltier descubrió este efecto termoeléctrico, en el curso de sus investigaciones sobre la electricidad. Este interesante fenómeno se mantuvo reducido a algunas pequeñas aplicaciones hasta ahora época en que se comienza a utilizar sus posibilidades con mas frecuencia.
COMO SE APROVECHA ESTE FENÓMENO
La utilización común en los últimos año fueron las termo coplees. Recordamos que al calentarse producen una tensión que va en aumento al aumentar la temperatura. La pequeña tensión generada es amplificada y permite desviar una aguja en un micro amperímetro que indica temperatura versus la tensión recibida. El segundo fenómeno utilizable es el que ocurre cuando aplicamos una tensión en los extremos de los alambres soldados. De igual manera este fenómeno se aprovecha con mas auge a través de las llamadas células Peltier: Alimentando una deestas células PELTIER, se establece una diferencia de temperatura entre las dos caras de la célula PELTIER, esta diferencia depende de la temperatura ambiente donde este situada la célula PELTIER, y del cuerpo que queramos enfriar o calentar. Su uso mas bien es para enfriar, ya que para calentar existen las resistencias eléctricas, que son mucho mas eficientes en este co- metido que las células peltier, estas son mucho mas eficaces refrigerando, ya que su reducido tamaño, las hace ideales para sustituir costosos y voluminosos equipos de refrigeración asistida por gas o agua.
CÉLULAS PELTIERSi observamos la figura, podemos ver que se compone, prácticamente, de dos materiales semiconductores, uno con canal N y otro con canal P, unidos entre si por una lámina de cobre.
Si en el lado del material N se aplica la polaridad positiva de alimentación en el lado del material P la polaridad negativa, la placa de cobre de la parte superior enfría, mientras que la inferior calienta.
Si en esta misma célula, se invierte la polaridad de alimentación, es decir, se aplica en el lado del material N la polaridad negativa y en el lado del material P la positiva, se invierte la función de calor / frío: la parte superior calienta y la inferior enfría.
Un dispositivo de refrigeración convencional lleva tres elementos fundamentales: un evaporador, un compresor y un condensador. El evaporador representa la sección fría dentro de la cual el refrigerante, bajo presión, puede evaporarse. El paso del refrigerante de estado líquido a gaseoso necesita tomar calor de su entorno. El compresor funciona como una bomba para el refrigerante, que, comprimiéndolo, hace que pase de estado gaseoso a líquido, restituyendo su energía calórica. El condensador radia las calorías cedidas por el refrigerante, y el compresor, al exterior.
El módulo Peltier, por lo tanto presenta ciertas analogías con un dispositivo como este. Es, por lo tanto, una bomba de calor estática que no requiere ni gas ni partes móviles. Físicamente los elementos de un módulo Peltier son bloques de 1mm cúbico conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo (ver figura).
Si tenemos en cuenta sus reducidas dimensiones, unos milímetros escasos, una sola célula puede alcanzar, como máximo una potencia frigorífica de 0,5 watts.
Es decir, que para conseguir potencias frigoríficas de 15 a 20 watts, hay que realizar baterías formadas, como mínimo por 30 o 40 células. De hecho, al aumentar el número de células, aumenta la superficie irradiante y, por lo tanto, la potencia refrigerante. En resumen, que tanto la dimensión como la potencia calorífica obtenida dependen del número de elementos utilizados por módulo.
Existen células Peltier con dimensiones y potencias diversas. También existen células aisladas y no aisladas, en función de que encima y debajo de las dos superficies exista, o no, una capa fina de material cerámico, necesario para aislar las láminas de cobre de las distintas células; por consiguiente estas dos superficies se pueden apoyar sobre cualquier plano metálico sin necesidad de aislantes, o no.
Si una célula Peltier está sin aislar será necesaria la utilización de una mica del tipo Sil-Pad, para poder transferir la energía. Este tipo de micas es caro, muy caro y difícil de conseguir. Por otro lado, las células ya aisladas tienen un material cerámico con una resistencia térmica muy baja, por lo que la pérdida de transferencia es insignificante.
El frío o calor que puede generar un módulo Peltier viene especificado por el salto térmico (diferencia térmica, incremento, etc.) que indican sus fabricantes.
En teoría, un salto térmico de 70 grados significa que si el lado caliente de la célula se ha estabilizado a una temperatura de 45 grados, en el lado frío existe una temperatura de 45 - 70= -25 grados.
Por el contrario, si el lado caliente sólo alcanza 35 grados, en el lado frío hay una temperatura de 35-70= -35 grados
A nivel práctico, debido a las inevitables pérdidas de transferencia de calor entre célula y aleta de refrigeración es difícil alcanzar este salto térmico. Tampoco tiene un rendimiento lineal y son elementos muy pesados. Quiero decir con esto (no que pesen) que el rendimiento obtenido del funcionamiento del aparato es muy bajo.
Hoy en día, se construyen sólidamente y en tamaño de una moneda. Los semiconductores están fabricados con Teluro y Bismuto para ser tipo P o N (buenos conductores de electricidad y malos del calor) y así facilitar el trasvase de calor del lado frío al caliente por el efecto de una corriente continua.
ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UNA CELULA PELTIER:
EJEMPLO DE MONTAJE DE UNA CELULA PELTIER:
EJEMPLOS DE USO DE LOS MÓDULOS PELTIER
En el campo de la climatización hay equipos de aire acondicionado que controlan la temperatura y la humedad que disponen de instalaciones frigoríficas de compresión que emplean fluidos frigorígenos a base de compuestos de flúor y de cloro que en mayor o menor medida atacan a la capa de ozono. También se han desarrollado equipos que deshumidifican el aire empleando absorbedores químicos y equipos de compresión, en general de potencias de deshumidificador grandes.
En el campo de las potencias bajas de un a cinco litros se ha pensado que equipos de deshumidificación formados por pastillas de efecto Peltier y acumuladores térmicos con cambio de fase a temperaturas más bajas del punto de rocío deseado podrían ser interesantes y competitivos, procediéndose a realizar unos prototipos y patentar el sistema. Se supera la carencia de la deshumidificación de una sala o estancia y el disponer un equipo portátil y ecológico.
La tecnología presentada consiste en hacer pasar aire de un local, habitación, etc., aspirado por unos ventiladores, a través de unos acumuladores de frío, que se enfrían mediante efecto Peltier, recogiéndose el agua condensada en el sistema en una bandeja inferior. Es un equipo compacto de sobremesa, muy adecuado para controlar la humedad en climas húmedos, del cual se han eliminado ruidos y vibraciones, evitando las partes móviles de los compresores que llevan los actuales deshumidificadores y los fluidos frigorígenos, como posibles contaminaciones medioambientales.
PELIGROS DE LOS ENFRIADORES PELTIER
Si bien un enfriador Peltier puede ser una perfecta solución térmica, si el diseño es insuficiente o los ventiladores están instalados inadecuadamente puede ser peligroso. He aquí relacionados algunos de los peligros:
Sobrecalentamiento: Los enfriadores Peltier vienen con un disipador y un ventilador. Si el ventilador falla, esto es mas peligroso que con un disipador convencional. Debido a que el calor del elemento Peltier, puede sobrecalentarse y dañar nuestro producto.
Problemas eléctricos: Si se está utilizando en un CPU para enfriar el mismo, el elemento Peltier consume una potencia eléctrica importante, posiblemente mas de lo que pueda suministrar la fuente de alimentación. Esto es especialmente un problema al arrancar un sistema: Mientras los discos duros alcanzan velocidad, estos utilizan mas potencia, y si el Peltier inicia consumiendo esta potencia al principio, esto puede ser un problema. Los buenos enfriadores Peltier resuelven este problema arrancando los elementos Peltier después de cierto tiempo, cuando el CPU está caliente. Otro problema puede ser el cableado eléctrico del elemento Peltier - si es demasiado fino (como algunos Peltiers baratos). Este puede no ser suficiente para poder con los requerimientos del Peltier y se sobrecalentará. También, obsérvese que el enfriador Peltier debe tener una línea dedicada desde la fuente de alimentación.
Hasta cuando dura un elemento Peltier ?
Un elemento Peltier por si mismo dura mucho tiempo. De hecho existen personas que han utilizado elementos Peltier durante muchos años sin problemas. Es poco probable que el elemento Peltier deje de funcionar; sin embargo, como con otros disipadores, el ventilador si que puede dejar de funcionar - y este es el mayor problema.
COMENTARIOS
Solo quisiera comentar que este efecto tiene un campo de aplicación enorme en el cual se puede explorar fácilmente debido a la flexibilidad con que se puede utilizar el fenómeno y a la relativamente fácil reproducibilidad de los dispositivos a diseñar.
También quiero agregar que se anexa a esta investigación un archivo del tipo pdf en el cual viene explicado paso por paso todos los efectos que intervienen dentro de los módulos de Peltier. Me tome la libertad de anexar este documento debido a que la información contenida es muy interesante y mucho mas explicativa que el presente reporte.
