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sábado, 17 de noviembre de 2012

Efecto Seebeck Peltier

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Convertir una diferencia de temperatura directamente en electricidad.

Sin motores, 
ni piezas móviles, 
sin rozamientos, 
sin gases,
sin ruido, 
sin desgaste...


Los efectos peltier y seebeck fueron descubiertos hace ya casi doscientos años, pero es hasta hace relativamente poco tiempo que estos fenómenos se han incorporado a la electrónica de consumo.

Se trata de dos fenómenos físicos que en realidad son la misma manifestación, ya que ambos son reversibles. Hay muchos ejemplos de reversibilidad en física, por ejemplo:

ejemplo 1
- Mediante un campo magnético podemos crear electricidad (alternador)
-...pero también podemos crear un campo magnético con electricidad (electroimán)-

ejemplo 2
- Mediante electricidad podemos disociar el agua en hidrógeno y oxígeno (electrolisis)
- ...combinando H y O “creamos” agua...y electricidad, es decir, la archiconocida “pila de combustible”, en la que muchos depositan su esperanza de energía abundante para el futuro.

ejemplo 3
- Si aplicamos presión (y comprimimos) un material piezoeléctrico, generamos tensión. Esta propiedad se aprovecha por ejemplo en los encendedores eléctricos y en los micrófonos piezoeléctricos.
- Si por el contrario aplicamos electricidad (alterna) en ambas caras de un material piezoeléctrico, éste se contrae y expande (al ritmo de esa electricidad alterna) y este fenómeno se aprovecha para hacer zumbadores o avisadores acústicos.


...y así, un montón de efectos físicos que son reversibles.


­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­El efecto seebeck consiste en que, si unimos dos materiales distintos que sean conductores de la electricidad y calentamos esa unión, en los extremos libres de esos materiales se produce una tensión o diferencia de potencial (voltaje) que puede aprovecharse. Este sencillo dispositivo se conoce como “termocupla” y normalmente se usa como sensor para medir temperaturas. Pero en determinadas configuraciones puede suministrar suficiente electricidad como para ser utilizada de forma práctica.

Esto último es lo que se va a ver en el vídeo de este artículo

En la imagen siguiente, podéis ver el montaje de una termocupla que es sencillamente un par de trozos de metales distintos unidos mecánicamente (sin soldadura).





La cantidad de electricidad producida dependerá de los dos metales elegidos (no todos producen la misma cantidad de electricidad) y también de la diferencia de temperatura entre la unión de ambos y los extremos libres.

Incluso en el mejor de los casos, la cantidad de electricidad será bastante modesta, por no decir realmente pequeña, sin embargo, estas termocuplas pueden ser verdaderamente pequeñas, por lo que, en poco espacio se pueden disponer muchas de ellas en serie (sumamos tensiones), o en paralelo (sumamos intensidad), o mezcla de ambos (serie y paralelo). De este modo, la cantidad de electricidad generada puede ser significativa.

Estos dispositivos ya existen en el mercado y se conocen como células peltier. Tienen una apariencia de cuadrado y de ella salen dos cables. La peltier tiene polaridad, así que esos dos cables van señalizados, ya sabéis: Negro: negativo. Rojo: positivo. 

Una peltier es una matriz con muchas termocuplas dispuestas en un espacio muy reducido. Las termocuplas que la conforman no están hechas de simples metales sino con semiconductores.

Imagen de una célula peltier típica:




¿dónde conseguir una de estas células peltier?

En cualquier tienda de componentes electrónicos, y si no tienes una tienda cerca, se puede pedir por internet. Basta con poner en un buscador "célula peltier" y te saldrán muchos resultados con empresas que las venden.

Su precio oscila bastante en función de la potencia, el vendedor, el lugar donde estés...

La que utilizo en el vídeo me costó 15 euros y es de 50x50mm. Desconozco su potencia pero debe andar en torno a los 50W

La más común funciona a 12V, pero las hay de tan solo 2V y también para tensiones mayores de 12V.



Cómo funciona una célula peltier.

Como ya dije en el vídeo, la utilización mas común y frecuente de estas células es la de producir frío. Al conectarlas a una fuente de corriente continua producen inmediatamente un intenso frío en una de sus caras, mientras que en la otra cara se produce justamente lo contrario: mucho calor. Es muy importante disipar y evacuar eficientemente el calor de la cara caliente, pues de lo contrario, no solamente no enfriará sino que se destruirá en cuestión de segundos.

Para eso, se les pone un enorme radiador que además hay que enfriar forzando aire con un ventilador. Sólo así la célula peltier mantiene la cara fría realmente fría. La diferencia típica de temperatura que una peltier genera entre sus dos caras es de unos 70ºC. Por lo tanto, si queremos que la cara fría esté a unos -10ºC, la parte caliente no debería superar los 60ºC. Una peltier se comporta como una bomba de calor: Extrae el calor de una cara (la que se enfría) y lo envía a la otra cara (la que se calienta). Además, la peltier genera su propio calor por el simple hecho de funcionar como cualquier dispositivo eléctrico.

En cualquier caso, cuando la peltier alcanza una temperatura superior a 200ºC corre el riesgo de romperse de forma irreversible (está hecha a base de semiconductores). Esta rotura sucede con gran rapidez (cuestión de segundos) si se la hace trabajar sin evacuar el calor de la parte caliente.

Esto en cuanto a la utilización de una célula peltier haciéndola trabajar como...peltier.


Generando electricidad con una célula peltier

Nada de lo anterior nos preocupa cuando hacemos trabajar a una peltier en el modo inverso a su uso convencional: Imprimiendo calor a una de sus caras, y frío en la otra, obtendremos electricidad en sus cables.

Como es de esperar, la cantidad de electricidad depende de la diferencia de temperatura que seamos capaces de asegurar entre sus caras.

Como la máxima temperatura que admiten es de 200ºC (en realidad admiten un poco más, pero es mejor dar un margen de seguridad), podemos someter a ambas caras a un contraste de temperatura bastante grande. Se puede poner una cara a por ejemplo, 100-150ºC, mientras que la otra la podemos mantener a temperaturas mucho mas frías -tanto como queramos, o podamos-.

En el vídeo se puede ver que una cara de la peltier es mantenida a unos 70ºC con agua caliente a través de un radiador de aluminio (no debemos mojar la peltier), mientras que la otra cara estará a unos 15-20ºC bajo cero por la acción de hielo, lo que supone un contraste de 90ºC aproximadamente.

En el vídeo se aprecia una lectura superior a 2.3 voltios (y eso, con la carga conectada: el motor). No está nada mal...

Si la diferencia de temperaturas (respetando no pasar de 200ºC) fuese mayor, el voltaje también sería mayor.

Si ponemos varias peltier en serie y/o en paralelo, la potencia eléctrica generada sería la suma de ellas, y la cosa puede llegar a ser interesante, incluso desde el punto de vista de darle un uso práctico a esa electricidad.

Aquí, el reto es encontrar una ubicación para aprovechar el calor residual que muchos procesos cotidianos desperdician enviándolo a la atmósfera, por ejemplo, la salida de aire caliente de una caldera de calefacción doméstica.

El montaje para probar el efecto seebeck:



Puse la peltier en un radiador de los utilizados en electrónica (da igual la cara que pongais hacia abajo, pero yo puse la que genera calor cuando se la hace funcionar como peltier). Luego, la fijé con un par de tornillos al radiador. Puede ser buena idea aplicar pasta de silicona conductora en el radiador para que la transferencia de calor entre peltier y el radiador sea mas eficiente. Esto último es recomendable aunque para el experimento quizás no sea determinante.

Después conecté polímetro y motor a la peltier.

Acto seguido, desde un termo, vertí agua a unos 70ºC en la cubeta.

...y finalmente, enfrié la cara superior de la peltier con un cubito de hielo.

Si todo está correcto, el motor debe comenzar a girar con brío.


Cuando veáis el vídeo, os daréis cuenta de una anécdota: Con solo verter el agua caliente no es suficiente para hacer andar al motor ya que es necesario enfriar la cara de arriba (con hielo) para que la tensión se eleve. Sin embargo, justo cuando estoy poniendo el agua caliente, el motor hizo un par de amagos de funcionar (minuto 7:43 del vídeo), pero de eso no me dí cuenta en el momento de hacer el experimento, me dí cuenta mucho después, cuando estaba en postproducción montando el vídeo en mi PC.

El vídeo:



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miércoles, 7 de noviembre de 2012

Automatismo: Vela auto-equilibrada

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En este experimento, una vela parece cobrar vida, o al menos, tener cierta habilidad o inteligencia: La de buscar ella sola el equilibrio, quedando perfectamente horizontal, no importa la posición inicial en que la situemos.

Como veréis en el vídeo que acompaño al final, el montaje consiste en hacer pasar a través de la vela (lo mas centrado posible) una varilla que servirá de eje y soporte. El conjunto vela-soporte se apoya en cualquier objeto que improvisemos, de modo que la vela puede girar libremente.

Se encienden ambos extremos de la vela y ocurre el automatismo: la vela busca la posición de equilibrio, y la mantiene. 

La explicación es obvia: Cuando la vela no está horizontal es porque las dos mitades no pesan lo mismo, y entonces la llama de cada extremo arde de modo diferente

La llama mas baja, la de la parte mas pesada de la vela, derretirá mucha cera ya que la llama le incide directamente, perdiendo así mucho peso.

La llama mas alta, apunta directamente al aire, derritiendo menos cera, y por lo tanto, pierde menos peso.

La consecuencia es que por la mayor pérdida de peso en uno de los lados, se crea un par de giro que tiende a poner la vela en horizontal, y a medida que ésta se endereza, la llama quema menos cera, pero aún sigue quemando más que en el otro extremo...hasta que al quedar horizontal, la cantidad quemada en ambos extremos es la misma, pues las llamas arden con el mismo ángulo respecto a la vela, y se alcanza entonces una posición de equilibrio estable.





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jueves, 1 de noviembre de 2012

El poder de las lentes FRESNEL

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Una lente convencional tiene forma ovalada, y está construida por moldeo (si se trata de plásticos) o puliendo su superficie (si se trata de materiales tipo vidrio).

Las lentes fresnel recurren a un ingenioso sistema para dar esa forma cóncava (o convexa) sin necesidad de que éstas tengan ninguna curvatura. Una lente fresnel vista de canto es perfectamente plana.

¿Cómo puede comportarse como una lente algo que es plano?

En realidad, una lente fresnel no es tan plana como parece:



En la parte inferior de la imagen sobre estas líneas puede verse como está construida una lente fresnel (vista de canto), y en la parte superior está el equivalente. El efecto lente se consigue porque en el proceso de fabricación se le hacen una especie de microsurcos (algo parecido a los surcos en un disco de vinilo de los utilizados en los tocadiscos).

Cada uno de estos surcos tiene una inclinación variable, consiguiendo así un efecto que simula a una lente. Esto ahorra grosor, y por lo tanto ahorra volumen, peso y...coste económico.

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Las lentes tienen una cualidad interesante: Si se les proyecta algún tipo de luz, esta luz atraviesa la lente y convergen en un punto (normalmente a pocos cms de la lente) que llamamos foco.

Este punto es cientos o miles de veces mas pequeño que la propia lente, por lo tanto, la densidad energética también debería de ser cientos o miles de veces mayor que una superficie igual en la lente. La cantidad de energía es la misma en el foco que en la superficie de la lente. Lo que cambia es la superficie implicada.

Como la ley de la conservación de la energía siempre se cumple, la temperatura en ese foco sube de manera espectacular, y dependiendo del tamaño de la lente y de la fuerza del sol en ese momento, se pueden alcanzar temperaturas realmente altas.

Es importante percatarse que hay tres parámetros relacionados

- Cantidad de calor
- Temperatura
- Superficie implicada

1) La cantidad de calor es prácticamente la misma delante y detrás de la lente
2) La superficie de la lente es mucho mayor que la superficie del foco
3) Por lo tanto, la temperatura en el foco deberá subir para que se verifique el principio de la conservación de la energía.

Es decir, la lente "no crea" energía, simplemente cambia la forma de manifestarse: Aumenta la temperatura a costa de disminuir la superficie de iluminación.

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El caso es que ese aumento de temperatura nos permite hacer procesos que con una insolación normal, directa, no conseguiríamos, a pesar de estar implicada la misma cantidad de energía.

La radiación solar tiene un amplio espectro, y además de luz visible también contiene -entre otras- infrarrojo, que se comporta como la luz y también se puede someter a procesos ópticos. Esta radiación infrarroja es la que contiene el calor que nos da el Sol.

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Conseguí una de estas lentes de un viejo proyector de transparencias, que está situada en la cubierta superior, justo tras el cristal externo protector.




Hice unas pruebas en la terraza con esta lente, orientándola al sol y haciendo incidir el foco sobre diversos materiales, y confirmé mi suposición de que esta lente era capaz de alcanzar altas temperaturas. En solo dos o tres segundos de exposición todos los materiales comenzaron a emitir humo, quemándose y haciéndose incluso agujeros en el caso del tejido (gamuza) y el plástico (rotulador).

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Esto me dio la idea de probar con un motor stirling que aún conservo en perfecto estado de funcionamiento. Estos motores funcionan con aire caliente (no con vapor). Se basan en aplicar calor en un extremo de un cilindro mientras que el otro extremo se mantiene lo más frío posible.




Hice un montaje improvisado (el de la fotografía siguiente) poniendo la lente fresnel orientada al sol, y proyectando el foco en la parte del motor stirling que hay que calentar.



Tras unos diez minutos de recibir calor, el motor stirling fue capaz de funcionar durante unos segundos tras lo cual se paró. Esto es un experimento "en bruto", y una aplicación real habría que optimizarla con estas medidas encaminadas a aumentar la eficiencia:

1) Puede ser interesante recubrir de algún material aislante la parte del cilindro a calentar para evitar que el calor se disipe a la atmósfera

2) Dejar la otra parte del cilindro al aire (o incluso forzar su refrigeración) para que ambos extremos del cilindro tengan la mayor diferencia de temperatura posible. Un motor stirling funciona tanto mejor cuanta mas diferencia de temperatura haya entre sus extremos.

3) Dotar a la lente fresnel de un soporte mas elaborado, para que el foco sea lo más nítido posible. Basta un error de 2 milímetros en la posición de la lente para que el foco obtenido no tenga el poder que se espera de esa lente.

Este es un ejemplo de cómo la energía solar puede convertirse en trabajo, y no solo en forma eléctrica (panel fotovoltaico) o en forma térmica (energía solar térmica). También puede convertirse la energía solar en movimiento, en energía mecánica. Esa energía mecánica, si el montaje tiene suficiente tamaño y está bien realizado, puede mover un alternador...

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Una observación sobre este montaje: En el experimento previo en la terraza se vio como esta lente era capaz de quemar y taladrar distintos objetos. ¿No cabe esperar que haga también un taladro en el metal del cilindro stirling?

En teoría si, pero...

Hay que tener en cuenta que los tres materiales que elegí para hacer la prueba (madera, tejido y plástico) son materiales malos conductores del calor, por lo tanto, si se les aplica calor en un punto determinado, el calor se queda allí y produce los daños (quemadura y taladro).

En cambio, si se aplica el foco en un objeto conductor del calor -como el caso del metal-, el calor no se limita a quedarse en el punto de aplicación (foco) sino que fluye, se distribuye por todo el metal, evitándose así que la temperatura suba hasta el punto de fusión de dicho metal. Por supuesto, ésto tiene un límite, y si la lente fresnel tiene tamaño suficientemente grande, y el metal expuesto tiene un tamaño suficientemente pequeño, también alcanzará el punto de fusión y se deformará, produciendo también un agujero.


Vídeo con el experimento de la lente fresnel:



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