Célula Peltier: todo sobre este elemento

celda Peltier

Es probable que necesites refrigerar algo en tus proyectos DIY. Para ello, necesitarías una celda Peltier. Este dispositivo semiconductor basado en efectos termoelećtricos permite refrigerar de una forma muy rápida. Puedes comprarlo en algunas tiendas como Amazon, o simplemente sacarlo de algún aparato estropeado donde se encuentre. Los aparatos de los que puedes conseguir uno son los típicos dispensadores de agua fría y algunos deshumidificadores sin compresor.

Este tipo de celulas Peltier son bastante usadas en diferentes sectores de la industria para refrigerar. El motivo es que tiene muchas ventajas frente a otros sistemas de enfriamiento tradicionales. Por ejemplo, en los dos ejemplos que he puesto anteriormente, en el caso del dispensador de agua se dedica a enfriar el depósito de agua para que se mantenga fresca, mientras que en el deshumidificador enfría el aire entrante para que se condense la humedad y gotee en el depósito de condensación…

Efectos termoelećtricos

Los efectos termoeléctricos son aquellos que convierten una diferencia de temperatura en voltaje eléctrico o viceversa. Esto se consigue usando termopares o unos tipos de materiales muy concretos, normalmente semiconductores. En éstos, los gradientes de temperatura producen portadores de carga en el material, ya sean los electrones (-) o los huecos (+).

Este efecto se puede usar para multitud de aplicaciones, desde calentar, enfriar, medir temperaturas, generar electricidad, etc. Y eso se debe a los varios efectos que existen dentro de los denominados termoeléctricos. Algunos de ellos son:

  • Efecto Seebek: observado por Thomas Seebek, es un fenómeno en que unos termopares a los que se le aplica una diferencia de temperatura producen electricidad. Se descubrió cuando se observó que dos metales unidos por uno de sus extremos se le aplicaba una diferencia de temperatura y que generaban una diferencia de potencial en sus extremos separados. Con ello se podría conseguir usar el calor generado por alguna fuente para transformarlo en electricidad.
  • Efecto Thomson: describe el calentamiento o enfriamiento de un conductor portador de corriente con un gradiente de temperatura. Fue descrito por Williams Thomson o Lord Kelvin.

Por lo general, los efectos Seebek, Thomson y Peltier pueden ser reversibles, aunque no es así en el caso del calentamiento Joule.

Efecto Peltier

Efecto Peltier

El efecto Peltier es similar, y es en el que se basan las celdas que tratamos en este artículo. Con esta propiedad descubierta por Jean Peltier en 1834, y similar al Seebek. Sucede cuando un voltaje elećtrico da lugar a una diferencia de temperatura entre dos materiales diferentes o termopares. En el caso de los actuales dispositivos son semiconductores, pero pueden ser también metales conocidos como junturas de Peltier.

Eso quiere decir que si se aplica una carga eléctrica a estos dispositivos, uno de los lados se va a calentar y el otro se enfriará. Eso se debe a que los electrones viajan de una región de alta densidad a una de baja densidad, se expanden de la misma forma que lo hace un gas ideal y por tanto, enfrían dicha región.

Por cierto, un TEC de una sola etapa puede generar una diferencia de temperatura entre sus partes de hasta 70ºC. Por tanto, si mantienes la parte caliente refrigerada, más capacidad de enfriamiento tendrá este TEC o celda Peltier. Ese calor absorbido será proporcional a la corriente proporcionada y al tiempo.

Ventajas y desventajas del TEC

Como todo sistema, el TEC o celda Peltier tiene sus ventajas y desventajas. Por eso algunos sistemas de refrigeración aún prefieren usar otros métodos convencionales. Entre los beneficios están:

  • No tiene partes móviles, por lo que no requiere mantenimiento y es más fiable.
  • No usa compresores ni gas CFC contaminantes.
  • Se puede controlar fácilmente la temperatura y con mucha precisión, hasta fracciones de grado variando la corriente aplicada.
  • Tamaño pequeño, aunque se pueden fabricar con diferentes tamaños.
  • Tiene una larga vida de hasta 100.000 horas, frente a lo que aportan algunos refrigeradores mecánicos.

Las desventajas de usar un TEC son:

  • Solo se puede disipar una cantidad limitada de flujo de calor.
  • No es eficiente energéticamente hablando en comparación con los sistemas de compresión de gas. No obstante, los nuevos avances hacen que sea cada vez más eficiente.

Propiedades

Una placa Peltier como la TEC1 12706 puede tener un precio de un par de euros, así que es muy barata. Esta placa tiene unas dimensiones de 40x40x3mm y contiene 127 pares semiconductores en su interior. La potencia eléctrica es de 60w y su tensión nominal de alimentación de 12v y corriente nominal de 5A.

Con ella puedes generar diferencias máximas de temperatura entre sus caras de 65ºC, que está bastante bien. Puede funcionar entre los -55ºC y los 83ºC sin dañarse, así que si te mueves fuera de esos valores corres el riesgo de que quede inutilizable. Si mantienes los valores dentro de eso, te puede durar incluso 200.000 horas de trabajo perfectamente, es decir, muchos años…

La eficiencia de este modelo es de unos 12-15w de calor extraído, eso es una eficiencia en torno al 20 o 25% teniendo en cuenta que consume unos 60w. De todas formas, tienes que tener en cuenta que ese valor también se verá muy influenciado por la temperatura ambiente.

Si lo prefieres, en vez de comprar solo el TEC o celda Peltier, puedes también adquirir en Amazon el sistema completo de refrigeración.

Aplicación de la celda Peltier

Refrigerador con Peltier

Pues bien, una celda Peltier se puede usar fundamentalmente para enfriar. Por ejemplo, podrías refrigerar con ella agua o cualquier otro líquido, o también crear tu propio deshumidificador casero. Sea lo que sea, su puesta a punto es bien sencilla. Una vez adquieres o consigues la celda, solo tendrás que aplicar corriente continua a través de los cables positivo y negativo que tiene. De ese modo, una de sus caras se calentará y la otra se enfriará. Debes identificar bien sus lados para según lo que estés buscando.

Ejemplo de aplicación con Arduino

Puedes usar un esquema de conexión como el que hicimos para el módulo relé, pero en vez de alimentar a la celda Peltier y al ventilador con 220v AC, se alimenta con CC a 12v. Puedes usar ese mismo esquema y conectar tu refrigerador a la placa Arduino.

Una vez tengas todo conectado, puedes crear un simple código para Arduino IDE para que se pueda controlar tu sistema de refrigeración, como por ejemplo este para controlar el relé en según que condiciones para que se pueda activar el sistema (puedes usar sensores de humedad, temperatura, etc., adicionales):


const int pin = 9; //Debe ser el pin conectado al relé para su control

const float thresholdLOW = 20.0;
const float thresholdHIGH= 30.0;

bool state = 0; //Celda Peltier desactivada o desactivada

float GetTemperature()
{
return 20.0; //sustituir en función del sensor de temperatura (o lo que sea) empleado
}

void setup() {
pinMode(pin, OUTPUT); //el pin de control se define como salida
}

void loop(){
float currentTemperature = GetTemperature();

if(state == 0 && currentTemperature > thresholdHIGH)
{
state = 1;
digitalWrite(pin, HIGH); //Se enciende el TEC
}
if(state == 1 && currentTemperature < thresholdLOW)
{
state == 0;
digitalWrite(pin, LOW); //Se apaga el TEC
}

delay(5000); //Espera 5 segundos entre las mediciones de temperatura en este caso
}

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