Проекты

Создание автономной энергетической установки с использованием элемента Пельтье

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский проект - от знаний к практике, от практики к результату» в секции «Метод» среди работ учащихся 8-9 классов

Направление работы: Альтернативная энергетика, Инженерия
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1534
Предметы: Физика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект − от знаний к практике, от практики к результату» 17 апреля 2019 года

Актуальность работы

Развитие технологии и техники шагнуло далеко вперед, что дало возможность создать новые источники генерации электрической энергии. Среди основных видов генерации электроэнергии специалисты выделяют следующие: тепловую, ядерную, гидроэнергию и альтернативные виды. В данной работе обращается внимание на систему Пельтье, использующую для работы разницу температур рабочих поверхностей в разных частях плитки.

Цель

Создать прототип независимого источника электропитания на базе системы Пельтье.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

  • Провести изучение распространенных способов получения электрической энергии, особое внимание уделить преобразованию из тепловой.
  • Провести изучение принципа работы системы Пельтье, системы PN-переходов.
  • Разработать конструкцию устройства, сделать расчет потребляемого тепла и получающейся электроэнергии, подобрать изделия для реализации замысла, выработать требования к элементам архитектуры контрольно-проверочной аппаратуры.
  • Разработать рабочие чертежи с помощью программы «Компас-3D».
  • Осуществить 3D-прототипирование, используя программу 3Dmax, с изготовлением деталей при помощи 3D-принтера.
  • Провести сборку и тестирование первой версии прибора, тесты датчиков, их работоспособности, измерения точности и достоверной работы датчиков, системы обработки данных.
  • Провести необходимые измерения по результатам испытаний, сделать расчеты мощности КПД, определить их зависимость от температурных режимов работы устройства.
  • Собрать окончательную версию работающего прототипа прибора, провести испытания.

Описание работы

При пропускании через термопару тока происходит поглощение тепла на контакте n-p и выделение тепла на p-n-контакте. В результате участок полупроводника, примыкающий к n-p-переходу, будет охлаждаться, а противоположный участок – нагреваться. Если поменять полярность тока, то, наоборот, n-p-участок будет нагреваться, а противоположный – охлаждаться.

Для практического применения энергии поглощения тепла одной термопары недостаточно. В термоэлектрическом модуле используется много термопар. Электрически их соединяют последовательно. А конструктивно – так, что охлаждающие и нагревающие переходы расположены на разных сторонах модуля.

Термопары установлены между двух керамических пластин. Соединяются они медными шинами. Количество термопар может доходить до нескольких сотен. От их количества зависит мощность модуля.

Разность температур между горячей и холодной сторонами модуля Пельтье может достигать 70°C.

Надо понимать, что термоэлектрический модуль Пельтье снижает температуру одной стороны относительно другой. То есть, чтобы холодная сторона имела низкую температуру, необходимо отводить тепло от горячей поверхности, снижая ее температуру.

Система Пельтье имеет свойство обратимости, благодаря которой она может вырабатывать электричество.

Для данного случая надо нагревать одну сторону, а вторую охлаждать для получения электричества из-за разницы температур.

К плате Ардуино подсоединены 3 датчика температуры, которые измеряют температуру радиаторов и воды.

Ардуино вычисляет среднее арифметическое с двух показателей радиаторов и отнимает это число от температуры воды. Если разница показателей < 30°, то Ардуино дает команду регулятору мощности увеличить напряжение, подаваемое насосу, который качает горячую воду в бак. Также на экран выводится разница температур и мощность в процентах, на которую работает насос.

Результаты

  1. Проведено изучение распространенных способов получения электрической энергии из тепловой.
  2. Проведено изучение принципа работы системы Пельтье, ее кинематической схемы, циклов и термодинамических процессов.
  3. Разработаны рабочие чертежи с помощью программы «Компас-3D».
  4. Разработана конструкция устройства, подобраны изделия для реализации замысла, выработаны требования к элементам архитектуры контрольно-проверочной аппаратуры.
  5. Произведено 3D-прототипирование с помощью программы 3Dmax и 3D-принтера.
  6. Проведены сборка и тестирование первой версии прибора, тесты датчиков, их работоспособности, измерения точности и достоверности работы датчиков, системы обработки данных.
  7. Проведены необходимые измерения по результатам испытаний, сделаны расчеты мощности и КПД, определена их зависимость от режимов работы системы.
  8. В конструкцию прибора внесены изменения по результатам испытаний.
  9. Собрана окончательная версия работающего прототипа прибора. Проведены демонстрационные испытания.

Итого, удалось создать прототип независимого источника электропитания на базе системы Пельтье.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

Элементы Пельтье, 6 шт.

Водяной радиатор.

Шланг, 2 шт.

Алюминиевый воздушный радиатор, 2 шт.

Насос для воды до 100°.

Плата Ардуино.

3D-принтер.

Программное обеспечение «Компас-3D» и 3Dmax.

Награды/достижения

Диплом победителя открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Энергетика. Оптика. Лазерные технологии. Астрономия и космические технологии» среди работ учащихся 7−9 классов.

Перспективы развития результатов работы

Организация стартапа, вывод рабочей установки на выпуск в серийное производство.