CLIMATIZACIÓN MEDIANTE CÉLULAS PELTIER

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1 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.

2 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. Software LabVIEW USB Hardware DAQ Adquisición de temperaturas Adquisición de P1-8 Tensión de mando 40 V AC Alimentación del servoamplificador 55 V DC Servoamplificador 12A8 3.5 A max Filtro L Módulo termoeléctrico Red 230 V AC Transformador ALIMENTACIÓN DEL MÓDULO TERMOELÉCTRICO 20 V AC Reguladores de tensión 12 V DC Ventiladores ALIMENTACIÓN DE LOS VENTILADORES Figura 3: Esquema del sistema.

3 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. P () s = ( s 0. 37) ( s ) ( s ) 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 Tª controlada Tª ambiente Tª caliente Tª fría Tª referencia 30 Temperatura (ºC) Tiempo (min) Figura 4: Respuesta de un ensayo con un control PI.

4 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.

5 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. Software LabVIEW USB Hardware DAQ Temperature acquisition P1-8 acquisition Control voltage 40 V AC Voltage input servo amplifier 55 V DC Servo amplifier 12A8 3.5 A max Filter L Thermoelectric module 230 V AC Transformer POWER SUPPLY OF THE THERMOELECTRIC MODULE 20 V AC Voltage regulators 12 V DC Fans POWER SUPPLY OF THE FANS Figure 3: Diagram of the device.

6 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. P () s = ( s 0. 37) ( s ) ( s ) 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 Output temperature Ambient temperature Hot temperature Cold temperature Setpoint 30 Temperature (ºC) Time (min) Figure 4: Closed-loop experiment with control PI.