II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ОСНОВАННЫЙ НА ЭФФЕКТЕ ЗЕЕБЕКА

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Девяшин Д.Ю. 1

---

1МАОУ "Гимназия" г.Новоуральск

Ваганова А.В. 1

---

1МАОУ "Гимназия"

Работа в формате PDF

488.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ  

Современный человек активно использует мобильные устройства для работы и развлечений, однако они перестают работать в случае разрядки аккумулятора. Вдали от линий электропередач зарядка аккумулятора мобильного устройства может оказаться весьма большой трудностью. Поэтому проблема сохранения заряда аккумулятора мобильных и портативных устройств является одной из наиболее острых для большинства пользователей.

Я сам не раз сталкивался с подобного рода проблемой, когда из-за разряженной батареи сотового телефона не мог позвонить домой. В связи с этим у меня появился проблемный вопрос: можно ли создать альтернативный источник энергии для зарядки мобильных устройств в походных условиях. Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Актуальность изучения термоэлектричества обусловлена возможностью обеспечения автономного питания маломощных устройств от любого источника тепла.

Объект исследования: термоэлектричество как физическое явление. Предмет исследования: термоэлектрический генератор. Цель исследования: осуществить поиск условий, при которых мы добиваемся повышения напряжения на выходе у альтернативного источника. Для достижения этой цели я поставил перед собой следующие задачи: изучить информацию об открытии термоэлектричества и его использовании, изучить природу электрического тока в проводниках и полупроводниках и причины возникновения в них термоэлектричества, создать термоэлектрогенератор, практическим методом определить условия, при которых повышается напряжение у термоэлектрогенератора, сделать выводы по результатам работы. Для достижения цели мною были использованы следующие методы: анализ литературы по основным понятиям термоэлектричества, поиск наиболее оптимальных сочетаний материалов для создания термоэлектрогенератора, полевые исследования, статистические методы обработки информации.

Анализ литературы позволил выяснить, что термоэлектричество – преобразование тепла в электричество с помощью термоэлектрогенератора. Первым возможность такого процесса обнаружил немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, когда 14 декабря 1820 года на заседании Берлинской академии наук впервые доложил о наблюдении им отклонения магнитной стрелки компаса вблизи замкнутой цепи из двух разнородных металлов, один спай которого нагревался. Суть явления, которое вошло впоследствии в физику под термином «эффект Зеебека», состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещённая вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как и в присутствии магнитного материала [4].

В замкнутой цепи, составленной из разных материалов (термопаре), места спаев которых находятся при неодинаковых температурах, действует сила, обуславливающая разделение зарядов, получившая название электродвижущей силы (термо-э.д.с.). При этом приходится преодолевать силы притяжения друг к другу положительных и отрицательных зарядов, то есть затрачивать работу (А). Отношение работы по перемещению заряда к величине этого заряда (q) называется напряжением (разностью потенциалов) (U). U= (В). Для поддержания непрерывного тока необходимо, чтобы в этой цепи работало какое-то устройство, в котором всё время происходят процессы, осуществляющие разделение электрических зарядов и тем самым поддерживающие напряжение в цепи. Это устройство называют источником, или генератором [1].

Проводник – материал, отлично пропускающий электрический ток. Большинство металлов относятся к проводникам. Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов [3]. В цепи, составленной из произвольного количества металлов, э.д.с. равна нулю (правило Вольта). Однако положение станет совершенно иным, если мы нагреем какое-нибудь из мест соединения. В этом случае в цепи будет протекать электрический ток до тех пор, пока будет существовать разность температур между спаями. Таким образом, термоэлемент представляет собой тепловой генератор электрического тока, то есть прибор, в котором часть тепловой энергии, нагревающей горячий спай, превращается в электрическую энергию; остальная часть тепла отдаётся холодным спаем в окружающую среду. Однако вследствие большой теплопроводности металлов поток тепла, переходящего путём теплопроводности от горячего спая к холодному, значительно больше, чем доля тепла, превращаемая в электрическую энергию. Кроме того, сопротивление в металлах зависит от геометрических размеров проводника, т. е. от его длины и сечения, равно как от его состава и строения, определяющих частоту столкновений носителей зарядов с окружающими частицами. Сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника. Сопротивление у металлов также увеличивается с повышением температуры, следовательно, электропроводность (способность тела проводить электрический ток) уменьшается. Обусловленные этими причинами КПД термоэлементов из металлических проволок не превышает 0,5%. Потому металлические термоэлементы совершенно непригодны в качестве технических генераторов тока [1].

Полупроводник – это материал, который занимает промежуточное место между проводниками (веществами, отлично пропускающими электрический ток) и изоляторами (веществами, почти совсем не пропускающими электрический ток). Многие кристаллы, сплавы, всевозможные соли, окислы являются полупроводниками. Исследование практического значения полупроводников принадлежит советским физикам во главе с Героем Социалистического Труда академиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе. Именно ими в 30-е годы прошлого века была заложена основа развития современной термоэлектрической энергетики [2].

В полупроводнике существует два электрических тока. Электронный ток в полупроводнике обусловлен движением свободных отрицательно заряженных электронов, которые слабо связаны с ядрами «своих» атомов и легко отрываются с внешней электронной оболочки. Это – электронная проводимость. Место, откуда оторвался электрон, называют «дыркой». Дырку немедленно занимает электрон от соседнего атома. Так электроны, не освободившиеся совсем, перескакивают с атома на атом, перемещаясь туда, куда их влечёт электрическое поле. А нарушенная связь между атомами (дырка) тем временем перемещается назад. Вместе с дыркой передаётся положительный заряд. Это – дырочная проводимость. Таким образом, в полупроводнике, кроме отрицательно заряженных частичек – свободных электронов, - носителями тока служат и положительно заряженные дырки. Они вместе определяют электропроводность полупроводника. Однако, свободные электроны несколько подвижнее дырок. Поэтому электронный ток здесь преобладает – он немного сильнее дырочного. Однако такая электропроводность характерна только для чистых полупроводников [2]. При введении в полупроводник примесей возникает примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно менять и число носителей заряда того или иного знака, то есть создавать полупроводники с преимущественной концентрацией отрицательного или положительного заряда. Примесные проводники n-типа обладают электронной проводимостью. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки. Примесные полупроводники p-типа обладают дырочной проводимостью. Основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны [3].

С появлением полупроводниковых материалов и технологий учёные вспомнили о возможности превращать тепло в электричество. Если из электронного и дырочного полупроводника сделать термопару и спаянные концы нагреть, а свободные охладить, то в нагретом конце электронного полупроводника появляются освобождённые нагреванием электроны. Они начинают сталкиваться между собой, разлетаться в разные стороны. И при этом многие перекочуют в холодный конец – туда, где свободнее, меньше «толкотни». Но электроны – отрицательно заряженные частички. Стало быть, как только в холодном конце появится их избыток, там возникает отрицательный электрический заряд. В горячем конце дырочного полупроводника возникают дырки. Они также перемещаются в холодный конец. Так как дырка ведёт себя подобно частице, наделённой положительным электрическим зарядом, то холодный конец приобретает положительный заряд. Проводимость полупроводников при повышении температуры растёт и при наличии разности температур между такими спаями возникают электродвижущие силы, которые в десятки раз превышают э.д.с. чисто металлических термоэлементов [2].

Так как величина термо - э.д.с., развивающаяся в отдельном термоэлементе, очень мала, то для получения более значительных э.д.с. отдельные термоэлементы часто соединяют в термобатареи (термоэлектрические модули). Э.д.с. батареи из n элементов в n раз больше, чем у одного термоэлемента [1].

В России с 1992 года налажено промышленное производство термоэлектрических модулей (ТЭМ). Санкт-Петербургская компания “Криотерм” в настоящее время выпускает более 250 типов ТЭМ, которые благодаря своим техническим характеристикам и высокой надёжности полностью соответствуют мировым стандартам. Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена. ТЭМ представляет собой совокупность термопар, электрически соединённых, как правило, последовательно. В стандартном элементе термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия количество термопар может изменяться в широких пределах – от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой мощности [5].

Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. ТЭГ используются для энергоснабжения объектов, удалённых от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии. ТЭГ незаменим для энергообеспечения космических аппаратов, питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем, а также для обеспечения автономным питанием маломощных электронных устройств. С помощью ТЭГ возможно преобразование в электрическую энергию тепла природных источников (например, геотермальных вод), тепла отводимых от автомобильных, корабельных и других двигателей. Всюду, где есть тепло, ТЭГ легко превратит значительную его долю в самый удобный вид энергии – электрическую. ТЭГ обладают такими уникальными качествами как полная автономность, высокая надёжность, простота эксплуатации, бесшумность, долговечность и экологическая чистота [4].

В практической части работы были изготовлены термопары из проводниковых (медь, железо) и полупроводниковых (хромель, копель, алюмель, константан) материалов. Далее спаянные концы термопар нагревались в верхней части пламени лабораторной спиртовки при температуре около 900˚С, в то время как другие концы находились при комнатной температуре 23˚С. Цифровым мультиметром MD 838 P были сняты показания напряжения с данных термопар.

Опытным путём было установлено, что термопара из проводников имеет низкий КПД (напряжение составило всего 2 мВ), кроме того из-за высокой теплопроводности часть тепла отдаётся в окружающую среду, а также напряжение зависит от длины и сечения проволоки и уменьшается с повышением температуры. Результаты напряжения, снятые с полупроводниковых термопар, оказались в 20-40 раз выше, чем у термопары из проводников (гистограмма1).

Гистограмма 1. Напряжение, полученное с различных вариантов термопар

В ходе работы была выявлена термопара (хромель-копелевая), с помощью которой было получено напряжение 77 мВ. Следовательно, из всех протестированных термопар она оказалась наиболее оптимальной для преобразования тепла в электричество и создания термоэлектрогенератора. Кроме того практическим путём было установлено, что напряжение, которое можно получить с полупроводниковой термопары, не зависит от длины и сечения проволоки и с повышением температуры увеличивается. На следующем этапе путём последовательного подсоединения 19 полупроводниковых термопар была изготовлена термобатарея. После каждого подсоединения термопар снимались и вносились в таблицу показания напряжения (таблица1).

Таблица 1

Зависимость напряжения от количества хромель-алюмелевых термопар

Анализ полученных данных доказал, что n-количество термопар, соединённых последовательно, увеличивают напряжение в n-раз. Так как для зарядки сотового телефона необходимо напряжение около 5 В, то для создания термогенератора, способного зарядить телефон при данной разнице температур, потребовалось бы 65 хромель-копелевых термопар. При меньшей разнице температур их, соответственно, потребовалось бы больше. Так как технически создать термобатарею хотя бы из 65 хромель-копелевых термопар маленького размера оказалось довольно сложно, то было принято решение о целесообразности покупки готового термоэлектрического генераторного модуля производства компании «Криотерм» города Санкт-Петербурга. Между двух керамических пластин модуля размером 44см находятся 287 термопар, что позволяет сгенерировать напряжение до 6В (рисунок 1).

Рис.1. Термоэлектрический модуль

Следующий этап работы начался с поиска составных частей будущего генератора, а именно: металлической теплораспределительной пластины, устанавливающейся со стороны источника тепла, охлаждающего радиатора, отводящего тепло от модуля в окружающую среду, прижимной пластинки из текстолита, болтов и, для обеспечения наилучшего теплового контакта ТГМ с источником тепла и радиатором холодной стороны, теплопроводной термопасты.

Сборка ТЭГ производилась под руководством папы и заняла несколько минут. Вес генератора составил 1кг 200 г, цена 2730 рублей (2450 рублей – стоимость модуля и 280 - термопасты) (фотография 1).

Фотография 1. Готовый термоэлектрогенератор

Испытания ТЭГ проводились при различных температурах горячей и холодной сторон модуля. Для этого к термоэлектрогенератору были подключены два мультиметра – цифровой серии MD 838 P с функцией регистрации температуры и стрелочный серии Ц 4341. Цифровым снимались показания температуры горячей стороны с интервалом 5°С, а стрелочным – имеющееся в данный момент напряжение. По данным испытаний был построен график 1.

График 1. Зависимость напряжения от разности температур холодного и горячего концов

Из графика которого видно, что при большей разнице температур холодной и горячей сторон можно достичь большего напряжения за меньшее время, поэтому необходимо постоянно подводить тепло к одной стороне модуля и отводить его от другой стороны. В противном случае напряжение перестаёт увеличиваться, а затем начинает уменьшаться. При поддержании разницы температур холодной и горячей сторон можно добиться постоянного напряжения.

Экспериментальным путём была доказана возможность сгенерировать с помощью изготовленного прибора напряжение в 6В. В практической части работы было установлено, что для работы светодиодного фонарика необходимо 2,3В, для работы небольшого радио – 2,7В, а для зарядки телефона – 5В. Следовательно, напряжения, полученного в результате преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью термоэлектрогенератора, вполне достаточно для освещения палатки, прослушивания радио и зарядки аккумулятора сотового телефона в походных условиях.

При испытаниях термоэлектрогенератора был выявлен единственный недостаток – сложность поддержания температуры горячей стороны, не превышающей максимально допустимой для данного ТЭГМ (250°С), во избежание его перегрева и выхода из строя. Однако при определённых навыках эта проблема решается: если нет возможности носить с собой мультиметр с функцией регистрации температуры и постоянно контролировать её показания, то можно воспользоваться котелком с кипящей водой, температура которой постоянна.

По результатам исследования был сделан вывод: создать альтернативный источник электроэнергии для зарядки мобильных устройств в походных условиях возможно. Для этого необходимо самостоятельно изготовить и последовательно соединить не менее 65 хромель-копелевых термопар в термоэлектрический модуль или взять уже готовый модуль, выпускаемый Санкт-Петербургской фирмой «Криотерм». Готовый прибор, способный преобразовать любую энергию тепла в электрическую, обладает такими уникальными качествами как полная автономность, простота эксплуатации, бесшумность, долговечность и экологическая чистота.

Актуальность данной работы обусловлена тем, что мы живём в эпоху электричества. Трудно представить какую-либо отрасль деятельности человека, куда бы ни проникли технологии, энергетическое обеспечение которых осуществляется с помощью электрической энергии. Расширение сфер применения электричества заставляет человечество искать новые источники электроэнергии. Одним из перспективных направлений развития альтернативных источников электрической энергии является разработка и производство термоэлектрических источников энергии, основанных на эффекте Зеебека.

В ходе теоретической части работы я выяснил, что лежит в основе преобразования тепловой энергии в электрическую, какие элементы и почему лучше использовать для изготовления термопар, как изменяется напряжение при последовательном соединении термопар и при различных значениях температур горячих и холодных концов.

Наличие в продаже компактных ТЭМ позволило мне под руководством папы собрать термоэлектрогенератор. Готовый генератор получился недорогим, достаточно компактным, эффективным и простым в использовании. С его помощью можно сгенерировать напряжение до 6В. Он незаменим для питания маломощных потребителей энергии – радиоприёмников, фонариков, сотовых телефонов в глухих, труднодоступных неэлектрифицированных местах. По сравнению с другими альтернативными источниками энергии он наиболее пригоден в походных условиях, так как не требует солнца, ветра, физических затрат. Он позволяет получить электричество из любого источника тепла.

Кроме того, автор предлагает использовать термоэлектрическую генерацию в рамках программы освоения Луны. На Луне есть кратеры (кратер Аристарх) вокруг северного и южного полюсов, которые купаются в полной тени и никогда не видят солнечного света. В этих местах всегда будет температура -153°С. Кроме того, есть рядом горные вершины, которые находятся в постоянном солнечном свете, и всегда горячие. Разница температур на лунной поверхности может стать достаточно простым и дешёвым, а может быть и единственно возможным способом получения электричества на Луне для космонавтов и космических станций в рамках программы по освоению Луны.

Работа также может использоваться на уроках физики при изучении термоэлектричества.

1. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики Т.2/ Г. С. Ландсберг. - М.:Наука, 1971 [1]

2. Анфилов Г. Б. Что такое полупроводник/ Г. Б. Анфилов. - М.: Государственное Издательство Детской Литературы Министерства Просвещения РСФСР, 1957 [2]

3. Пёрышкин А. В. Физика 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2013 [3]

4. Шостаковский П. Термоэлектрические источники альтернативного питания / П. Шостаковский // Компоненты и технологии. – 2010. - №12 [4]

5. http://www/kryothermtec.com Дата обращения 04.09.2014г [5]