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.