El enfriamiento termoeléctrico utiliza el efecto Peltier para crear un flujo de calor en la unión de dos tipos diferentes de materiales. Un refrigerador, calentador o bomba de calor termoeléctrica Peltier es una bomba de calor activa de estado sólido que transfiere calor de un lado al otro del dispositivo, con un consumo de energía eléctrica , dependiendo del sentido de la corriente. Un instrumento de este tipo también se denomina dispositivo Peltier , bomba de calor Peltier , refrigerador de estado sólido o refrigerador termoeléctrico ( TEC ) y, ocasionalmente, batería termoeléctrica . Puede usarse para calentar o enfriar, [1] aunque en la práctica la aplicación principal es la refrigeración [ cita necesaria ] . También se puede utilizar como controlador de temperatura para calentar o enfriar.
Esta tecnología se aplica mucho menos comúnmente a la refrigeración que la refrigeración por compresión de vapor . Las principales ventajas de un refrigerador Peltier en comparación con un refrigerador por compresión de vapor son la falta de piezas móviles o líquido en circulación, una vida útil muy larga, invulnerabilidad a las fugas, tamaño pequeño y forma flexible. Sus principales desventajas son el alto costo para una determinada capacidad de enfriamiento y la baja eficiencia energética (un bajo coeficiente de rendimiento o COP). Muchos investigadores y empresas están intentando desarrollar refrigeradores Peltier que sean baratos y eficientes. (Ver Materiales termoeléctricos ).
Un refrigerador Peltier también se puede utilizar como generador termoeléctrico . Cuando se opera como refrigerador, se aplica un voltaje a través del dispositivo y, como resultado, se acumulará una diferencia de temperatura entre los dos lados. Cuando se opera como generador, un lado del dispositivo se calienta a una temperatura mayor que el otro lado y, como resultado, se acumulará una diferencia de voltaje entre los dos lados (el efecto Seebeck ). Sin embargo, un refrigerador Peltier bien diseñado será un generador termoeléctrico mediocre y viceversa, debido a diferentes requisitos de diseño y embalaje.
Los refrigeradores termoeléctricos funcionan mediante el efecto Peltier (uno de los tres fenómenos que componen el efecto termoeléctrico). [2] Un módulo termoeléctrico está formado por tres componentes; los conductores, las patas y el sustrato, y muchos de estos módulos están conectados eléctricamente en serie, pero térmicamente en paralelo. [2] Cuando una corriente eléctrica CC fluye a través del dispositivo, lleva calor de un lado al otro, de modo que un lado se enfría mientras que el otro se calienta.
El lado "caliente" está conectado a un disipador de calor para que permanezca a temperatura ambiente, mientras que el lado frío desciende por debajo de la temperatura ambiente. En aplicaciones especiales, se pueden conectar en cascada o organizar varios refrigeradores juntos para lograr una temperatura más baja, pero la eficiencia general (COP) cae significativamente. El COP máximo de cualquier ciclo de refrigeración está limitado en última instancia por la diferencia entre la temperatura deseada (lado frío) y la temperatura ambiente (lado caliente) (la temperatura del disipador de calor). Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura (delta), menor será el COP teórico máximo.
Se utilizan dos semiconductores únicos, uno de tipo n y otro de tipo p , porque necesitan tener diferentes densidades de electrones. Los pilares semiconductores alternos de tipo p y n se colocan térmicamente en paralelo entre sí y eléctricamente en serie y luego se unen con una placa térmicamente conductora en cada lado, generalmente cerámica, eliminando la necesidad de un aislante separado. Cuando se aplica un voltaje a los extremos libres de los dos semiconductores, se produce un flujo de corriente continua a través de la unión de los semiconductores, lo que provoca una diferencia de temperatura. El lado de la placa de refrigeración absorbe calor, que luego el semiconductor transporta al otro lado del dispositivo.
La capacidad de enfriamiento de la unidad total es entonces proporcional a la sección transversal total de todos los pilares, que a menudo están conectados eléctricamente en serie para reducir la corriente necesaria a niveles prácticos. La longitud de los pilares es un equilibrio entre pilares más largos, que tendrán una mayor resistencia térmica entre los lados y permitirán alcanzar una temperatura más baja pero producirán un calentamiento más resistivo, y pilares más cortos, que tendrán una mayor eficiencia eléctrica pero permitirán más fuga de calor del lado caliente al frío por conducción térmica. Para grandes diferencias de temperatura, los pilares más largos son mucho menos eficientes que apilar módulos separados y progresivamente más grandes; Los módulos se hacen más grandes a medida que cada capa debe eliminar tanto el calor movido por la capa superior como el calor residual de la capa.
Requisitos para materiales termoeléctricos: [4]
Los materiales adecuados para sistemas TEC de alta eficiencia deben tener una combinación de baja conductividad térmica y alta conductividad eléctrica. El efecto combinado de diferentes combinaciones de materiales se compara comúnmente utilizando una figura de mérito conocida como ZT , una medida de la eficiencia del sistema. La ecuación para ZT se proporciona a continuación, donde es el coeficiente de Seebeck , es la conductividad eléctrica y es la conductividad térmica. [5]
Hay pocos materiales que sean adecuados para aplicaciones TEC ya que la relación entre la conductividad térmica y eléctrica suele ser una correlación positiva. Las mejoras en el transporte térmico reducido con una mayor conductividad eléctrica son un área activa de investigación en ciencia de materiales. Los materiales termoeléctricos comunes utilizados como semiconductores incluyen telururo de bismuto , telururo de plomo , silicio-germanio y aleaciones de antimonuro de bismuto . De estos, el telururo de bismuto es el más utilizado. Se están investigando activamente nuevos materiales de alto rendimiento para la refrigeración termoeléctrica. [6]
Durante décadas, los semiconductores de banda prohibida estrecha, como el bismuto , el telurio y sus compuestos , se han utilizado como materiales de termopares.
La gran mayoría de las neveras termoeléctricas tienen una identificación impresa en el lado enfriado. [7]
Estas identificaciones universales indican claramente el tamaño, la cantidad de etapas, la cantidad de parejas y la clasificación de corriente en amperios, como se ve en el diagrama adyacente. [8]
El Tec1-12706, muy común, cuadrado de 40 mm de tamaño y 3-4 mm de alto, se encuentra por unos pocos dólares y se vende como capaz de mover alrededor de 60 W o generar una diferencia de temperatura de 60 °C con una corriente de 6 A. Su resistencia eléctrica será de una magnitud de 1 a 2 ohmios.
Hay muchos factores que motivan una mayor investigación sobre TEC, incluidas las menores emisiones de carbono y la facilidad de fabricación. Sin embargo, han surgido varios desafíos.
Una ventaja importante de los sistemas TEC es que no tienen piezas móviles. Esta falta de desgaste mecánico y la reducción de los casos de falla debido a fatiga y fractura por vibración mecánica y tensión aumentan la vida útil del sistema y reducen los requisitos de mantenimiento. Las tecnologías actuales muestran que el tiempo medio entre fallos (MTBF) supera las 100.000 horas a temperatura ambiente. [9]
El hecho de que los sistemas TEC estén controlados por corriente conlleva otra serie de ventajas. Debido a que el flujo de calor es directamente proporcional a la corriente CC aplicada, se puede agregar o eliminar calor con un control preciso de la dirección y cantidad de la corriente eléctrica. A diferencia de los métodos que utilizan métodos de calentamiento o enfriamiento resistivo que involucran gases, TEC permite un grado igual de control sobre el flujo de calor (tanto dentro como fuera de un sistema bajo control). Gracias a este preciso control bidireccional del flujo de calor, las temperaturas de los sistemas controlados pueden ser precisas en fracciones de grado, alcanzando a menudo una precisión de mili Kelvin (mK) en entornos de laboratorio. [10]
Los dispositivos TEC también tienen una forma más flexible que sus homólogos más tradicionales. Se pueden utilizar en ambientes con menos espacio o condiciones más severas que un refrigerador convencional. La capacidad de adaptar su geometría permite suministrar refrigeración precisa a áreas muy pequeñas. Estos factores los convierten en una opción común en aplicaciones científicas y de ingeniería con requisitos exigentes donde el costo y la eficiencia energética absoluta no son preocupaciones principales.
Otro beneficio de TEC es que no utiliza refrigerantes en su funcionamiento. Antes de su eliminación gradual, algunos de los primeros refrigerantes, como los clorofluorocarbonos (CFC), contribuyeron significativamente al agotamiento de la capa de ozono . Muchos refrigerantes utilizados hoy en día también tienen un impacto ambiental significativo con potencial de calentamiento global [11] o conllevan otros riesgos de seguridad. [12]
Los sistemas TEC tienen una serie de desventajas notables. Lo más importante es su eficiencia energética limitada en comparación con los sistemas convencionales de compresión de vapor y las limitaciones en el flujo de calor total (flujo de calor) que pueden generar por unidad de área. [10] Este tema se analiza con más detalle en la sección de rendimiento a continuación.
El rendimiento Peltier (termoeléctrico) es una función de la temperatura ambiente, el rendimiento del intercambiador de calor ( disipador de calor ) del lado frío y caliente , la carga térmica, la geometría del módulo Peltier (termopila) y los parámetros eléctricos Peltier. [7]
La cantidad de calor que se puede mover es proporcional a la corriente y al tiempo.
El resultado es que el calor efectivamente movido disminuye a medida que aumenta la diferencia de temperatura y el módulo se vuelve menos eficiente. Se produce una diferencia de temperatura cuando el calor residual y el calor que regresa superan el calor movido y el módulo comienza a calentar el lado frío en lugar de enfriarlo más. Un refrigerador termoeléctrico de una sola etapa normalmente producirá una diferencia de temperatura máxima de 70 °C entre sus lados frío y caliente. [13]
Otro problema de rendimiento es consecuencia directa de una de sus ventajas: ser pequeño. Esto significa que:
En aplicaciones de refrigeración, las uniones termoeléctricas tienen aproximadamente 1/4 de eficiencia en comparación con los medios convencionales (refrigeración por compresión de vapor): ofrecen alrededor del 10 al 15 % de eficiencia (COP de 1,0 a 1,5) del refrigerador de ciclo Carnot ideal , en comparación con el 40 al 60 %. % logrado por sistemas de ciclo de compresión convencionales ( sistemas Rankine inversos que utilizan compresión/expansión). [14] Debido a esta menor eficiencia, el enfriamiento termoeléctrico generalmente solo se usa en entornos donde la naturaleza de estado sólido (sin partes móviles ), el bajo mantenimiento, el tamaño compacto y la insensibilidad a la orientación superan la eficiencia pura.
Si bien es inferior a la de los medios convencionales, la eficiencia puede ser bastante buena, siempre que:
Sin embargo, dado que una corriente baja también significa una cantidad baja de calor movido, a todos los efectos prácticos el coeficiente de rendimiento será bajo.
Los refrigeradores termoeléctricos se utilizan para aplicaciones que requieren una eliminación de calor que va desde milivatios hasta varios miles de vatios. Se pueden fabricar para aplicaciones tan pequeñas como un refrigerador de bebidas o tan grandes como un submarino o un vagón de ferrocarril. Los elementos TEC tienen una vida útil limitada. Su fuerza de salud se puede medir por el cambio de su resistencia AC (ACR). A medida que se desgasta un elemento más frío, el ACR aumentará. [ cita necesaria ]
Los elementos Peltier se utilizan habitualmente en productos de consumo. Por ejemplo, se utilizan en camping , neveras portátiles, componentes electrónicos de refrigeración, sistemas para dormir con colchones e instrumentos pequeños. También se pueden utilizar para extraer agua del aire en deshumidificadores . Una nevera eléctrica tipo camping/automóvil (12 V) normalmente puede reducir la temperatura hasta 20 °C (36 °F) por debajo de la temperatura ambiente, que es de 25 °C si el automóvil alcanza los 45 °C bajo el sol. Las chaquetas con clima controlado están empezando a utilizar elementos Peltier. [15] [16]
Los refrigeradores termoeléctricos se pueden utilizar para enfriar componentes de computadora para mantener las temperaturas dentro de los límites de diseño o para mantener un funcionamiento estable durante el overclocking . Un enfriador Peltier con disipador de calor o bloque de agua puede enfriar un chip muy por debajo de la temperatura ambiente. [17] Algunas CPU Intel Core de décima generación en adelante son capaces de utilizar la tecnología Intel Cryo, que utiliza una combinación de refrigeración termoeléctrica y un intercambiador de calor líquido para ofrecer un rendimiento de refrigeración mucho mayor de lo que normalmente es posible con la refrigeración líquida estándar . Las condiciones ambientales locales se monitorean electrónicamente para evitar cortocircuitos debido a la condensación. [18]
Los refrigeradores termoeléctricos se utilizan en muchos campos de la fabricación industrial y requieren un análisis de rendimiento exhaustivo, ya que se enfrentan a la prueba de ejecutar miles de ciclos antes de que estos productos industriales se lancen al mercado. Algunas de las aplicaciones incluyen equipos láser, acondicionadores de aire o refrigeradores termoeléctricos, telecomunicaciones y electrónica industrial, [19] automoción, mini refrigeradores o incubadoras, gabinetes militares, gabinetes de TI y más.
En aplicaciones de fibra óptica , donde la longitud de onda de un láser o un componente depende en gran medida de la temperatura, los refrigeradores Peltier se utilizan junto con un termistor en un circuito de retroalimentación para mantener una temperatura constante y así estabilizar la longitud de onda del dispositivo.
Algunos equipos electrónicos destinados a uso militar en el campo están refrigerados termoeléctricamente. [ cita necesaria ]
Los elementos Peltier se utilizan en dispositivos científicos. Son un componente común en los termocicladores , utilizados para la síntesis de ADN mediante la reacción en cadena de la polimerasa ( PCR ), una técnica de biología molecular común, que requiere el rápido calentamiento y enfriamiento de la mezcla de reacción para la desnaturalización, el recocido de cebadores y los ciclos de síntesis enzimática. .
Con circuitos de retroalimentación, los elementos Peltier se pueden utilizar para implementar controladores de temperatura altamente estables que mantienen la temperatura deseada dentro de ±0,01 °C. Dicha estabilidad se puede utilizar en aplicaciones láser precisas para evitar la deriva de la longitud de onda del láser a medida que cambia la temperatura ambiental.
El efecto se utiliza en satélites y naves espaciales para reducir las diferencias de temperatura causadas por la luz solar directa en un lado de una nave al disipar el calor sobre el lado frío y sombreado, donde se disipa como radiación térmica al espacio. [20] Desde 1961, algunas naves espaciales no tripuladas (incluido el rover Curiosity Mars) utilizan generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) que convierten la energía térmica en energía eléctrica mediante el efecto Seebeck. Los dispositivos pueden durar varias décadas, ya que funcionan con la desintegración de materiales radiactivos de alta energía.
Los elementos Peltier también se utilizan para fabricar cámaras de niebla para visualizar la radiación ionizante . Con solo pasar una corriente eléctrica, pueden enfriar vapores por debajo de -26 °C sin hielo seco ni piezas móviles, lo que hace que las cámaras de niebla sean fáciles de fabricar y utilizar.
Los detectores de fotones, como los CCD en telescopios astronómicos , espectrómetros o cámaras digitales de muy alta gama, a menudo se enfrían mediante elementos Peltier que pueden disponerse en una configuración de refrigeración en cascada de múltiples etapas [21]. Esto reduce los recuentos de oscuridad debido al ruido térmico . Un conteo oscuro ocurre cuando un píxel registra un electrón causado por una fluctuación térmica en lugar de un fotón. En fotografías digitales tomadas con poca luz, aparecen como motas (o "ruido de píxeles"). [ cita necesaria ]
Se utilizan en espectrómetros de dispersión de energía para enfriar los cristales del sensor, eliminando la necesidad de grandes recipientes dewar de nitrógeno líquido.
