XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание термоэлектрического генератора на элементах Пельтье
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность:
Использование термоэлектрических генераторов на тепловой энергии является одним из путей применения нетрадиционных источников энергии. Термогенераторы широко распространены в наше время. Они имеют много значимых преимуществ: длительный срок работы без обслуживания, возможность использовать теплоту от любых источников тепловой энергии, способность работы независимо от пространственного положения, независимость от среды (космос, вода, земля). Область применения электрических термогенераторов обширна: их применяют для питания потребителей, расположенных в удаленных и труднодоступных районах, для исследования дальнего космоса.
Цель:
Создание термоэлектрического генератора на элементах Пельтье.
Задачи:
· Изучить принцип работы и применение элементов Пельтье;
· Изготовить модель термоэлектрического генератора на элементах Пельтье;
· Провести лабораторный эксперимент; построить график зависимости напряжения от разности температур, определить КПД изготовленной модели генератора Пельтье;
· Сделать выводы.
Элемент Пельтье, принцип работы и применение:
Элемент Пельтье представляет собой термоэлектрический преобразователь. В основе работы элементов лежит контакт двух полупроводниковых материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.
Изготовление термоэлектрического генератора на элементах Пельтье:
Приборы: сварочный аппарат, угловая шлифовальная машина (болгарка), паяльник, ножницы.
Материалы: элементы Пельтье в количестве 10 штук, листы металла (нержавеющая сталь), краны 4 штуки, водяной отвод (шланг) 2 метра, скотч.
1 этап: сварил между собой листы метала. В результате получил 2 бака объемом 0,81л каждый;
2 этап: к каждому баку профессиональные сварщики приварили металлические трубы и закрепили на них краны;
3 этап: склеил между собой элементы Пельтье и по бокам расположил баки, укрепив их скотчем;
4 этап: подсоединил шланги;
5 этап: провел опыты, перед этим на Ардуино запрограммировал датчик температуры.
Проблемы, с которыми столкнулись при изготовлении термогенератора и пути их преодоления:
1 проблема: в нашем городе не было самих элементов Пельтье. В итоге пришлось заказывать из другого города;
2 проблема: сварочные работы. У нас не было определенных навыков сварки и также не было специального оборудования. Пришлось просить помощи у профессиональных сварщиков;
3 проблема: изначально планировалось, что баки будут из меди, так как у нее очень хорошая теплопроводность, но из-за нехватки денежных средств и оборудования, мы приняли решение сделать баки из нержавеющей стали.
Проведение экспериментов:
Заполнили первый бак холодной водой, дополнительно охладив воду льдом.
Заполнили бак горячей водой, разогрев воду в чайнике.
Измерили температуру двух баков.
|
№ |
Холодная вода (корпус) |
Горячая вода (корпус) |
Разность температур |
Напряжение |
|
1 |
5.15 |
82.5 |
77.35 |
8.36 |
|
2 |
14.2 |
78.8 |
64.6 |
8 |
|
3 |
18.3 |
62.3 |
44 |
4.58 |
|
4 |
25.9 |
57.3 |
31.4 |
3.33 |
Измерили напряжение с помощью мультиметра на выходе.
Вывод:
В ходе работы был сконструирован термоэлектрический генератор на элементах Пельтье. Проведены опыты и на их основе был высчитан кпд, он составил 25%, это очень неплохой результат. В космических аппаратах термоэлектрические генераторы очень эффективны, особенно в тех, которые удалены от солнца.
Перспективы:
В будущем планируется создать еще один генератор на основе элементов Пельтье, баки которого будут изготовлены уже не из нержавеющей стали, а из меди. Планируется сделать сравнительный анализ рабочих характеристик двух генераторов.