Проекты

Создание автономной энергетической установки с использованием полупроводникового элемента

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» в секции «Идея» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Энергетика
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1534
Предметы: Физика, Математика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» 2020 года

Актуальность

Распространённые в настоящее время независимые источники электропитания в отдалённых районах или при освоении новых территорий для получения электроэнергии используют преобразование тепловой энергии недр, Солнца, энергию ветра или гидроресурсы. Для более эффективного использования энергоресурсов необходимо учитывать временные, климатические, географические или иные особенности местности, где происходит генерация.

Проблема состоит в отсутствии готовых решений для надёжных источников электропитания, работающих независимо от погодных, климатических и географических факторов, во время походов и экспедиций.

Цель

Создание прототипа независимого источника электропитания, стабильно работающего в любых климатических условиях.

Задачи

  1. Провести изучение распространённых способов получения электрической энергии, особое внимание уделить получению электрической энергии из тепловой.
  2. Провести изучение принципа работы системы Пельтье, системы p-n-переходов.
  3. Разработать конструкцию устройства, сделать расчёт потребляемого тепла и получающейся электроэнергии, подобрать изделия для реализации замысла, выработать требования к элементам архитектуры контрольно-проверочной аппаратуры.
  4. Разработать рабочие чертежи с помощью программы «Компас».
  5. Осуществить 3D-прототипирование с использованием программы «3D max», изготовить детали при помощи 3D-принтера.
  6. Провести сборку и тестирование первой версии прибора, провести тесты с помощью датчиков, проверить работоспособность прибора.
  7. Провести необходимые измерения по результатам испытаний, сделать расчёты мощности КПД, определить их зависимость от температурных режимов работы устройства.
  8. Собрать окончательную версию работающего прототипа прибора, провести испытания.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • 6 элементов Пельтье
  • 2 датчика температуры
  • высокотемпературный насос от кофеварки
  • 2 воздушных радиатора
  • 2 водных радиатора
  • микроконтроллер Ардуино

Описание

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.

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.

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

Результаты работы/выводы

  1. Проведено изучение распространённых способов получения электрической энергии из тепловой.
  2. Проведено изучение принципа работы системы Пельтье, его кинематической схемы, циклов и термодинамических процессов.
  3. Разработаны рабочие чертежи с помощью программы «Компас».
  4. Разработана конструкция устройства, подобраны изделия для реализации замысла, выработаны требования к элементам архитектуры контрольно-проверочной аппаратуры.
  5. Произведено 3D-прототипирование с помощью программы «3D max» и 3D-принтера.
  6. Проведена сборка и тестирование первой версии прибора, проведены тесты с помощью датчиков, проверена работоспособность прибора.
  7. Проведены необходимые измерения по результатам испытаний, сделаны расчёты 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.
  10.  Проведены демонстрационные испытания.
  11.  Создан прототип независимого источника электропитания на базе системы Пельтье.

Перспективы использования результатов работы

Проект можно использовать как стартап, реализуя его на рынке устройств для походов и экспедиций.

Награды/достижения

  1. Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект» 2019 года – призёр.
  2. Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект» 2020 года – призёр.
  3. Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 2019 года – победитель.

Городской конкурс проектов «Юные техники и изобретатели» 2020 года – победитель, финалист Всероссийского этапа конкурса.