XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Энергия холода. Элемент Пельтье как альтернативный источник электрической энергии

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мулкоманов А.Н. 1

---

1Тюменское Президентское кадетское училище

Квасов Е.В. 1

---

1Тюменское Президентское кадетское училище

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение. В последнее время развитие науки и техники набирает феноменальные обороты. Каждый год наука становится все более совершенной, а техника может сделать намного больше, чем ее предшественники. Основной движитель этого развития – это потребности и желания населения нашей планеты, которые растут с каждым днем все больше. И все эти потребности так или иначе требуют всё большего объёма энергии. Для решения проблемы ограниченности ископаемых видов топлива исследователи во всем мире работают над созданием и внедрением в эксплуатацию альтернативных источников энергии. Поэтому, многие ученые пытаются найти новые неисчерпаемые источники энергии. В данной работе мы попробовали провести некоторые исследования в этом направлении.

Суровый климат России, да ещё и зимой, во многих регионах нашей страны гарантирует низкие температуры. Нам известно, что изменение внутренней энергии тела сопровождается повышением температуры. Следовательно, из тепла мы можем получить различную энергию. А можно ли получить энергию при помощи низких температур, которые характерны климату РФ? Оказывается, возможно. При помощи разности температур в проводящих электрический ток веществах можно получить самую настоящую электроэнергию. Такой принцип получения энергии используется в различных термоэлектрических генераторах. Наше внимание привлекло одно уже давно известное устройство – так называемый, элемент Пельтье или модуль Пельтье. Модуль Пельтье используется в электронике для охлаждения нагреваемых элементов. Или для создания компактных маломощных холодильников. То есть, при довольно малом напряжении и небольших затратах электрической энергии можно получить сильный охладитель без всякой охлаждающей жидкости или газа. Но если его использовать «наоборот» (создать разницу температур на его поверхностях), то можно получить электрический ток. Вот так и возникла идея – сконструировать походную зарядку для телефона, используя для нагрева одной стороны модуля огонь костра, а для охлаждения другой стороны воду или снег.

Актуальность исследования заключается в том, что холод – это легкодоступный ресурс для добычи электроэнергии в России.

Цель исследования: создать устройство для получения электрической энергии на основе элементов Пельтье и исследовать его возможности.

Задачи исследования:

1. Изучить способы получения электрической энергии при помощи разности температур.

2. Разработать зарядное устройство на основе элемента Пельтье.

3. Исследовать эффективность разработанного зарядного устройства на практике.

Объект исследования: элемент Пельтье.

Предмет исследования: модель термоэлектрического генератора.

В ходе работы использовались такие методы, как: наблюдение, сравнение, эксперименты и измерения.

Гипотеза:если элемент Пельтье под действием небольшого напряжения способен создавать довольно ощутимую разность температур, то он может осуществить и обратный процесс (разность температур превращать в электрическую энергию).

Глава 1. Теоретические основы функциональных особенностей элемента Пельтье.

1. 1. В 1834 году французский часовщик и естествоиспытатель Жан Шарль Пельтье поместил каплю воды между электродами из висмута и сурьмы, а затем пропустил по цепи электрический ток. К своему изумлению, он увидел, что капля неожиданно замерзла. О тепловом действии электрического тока на проводники было известно, а вот обратный эффект был сродни магии. Можно понять чувства Пельтье: это явление на стыке двух разных областей физики – термодинамики и электричества вызывает ощущение чуда и сегодня.Термоэлектрический генератор – это устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Самым простейшим термогенератором является Элемент Пельтье, его мы и рассматривали, как простейший преобразователь холода в энергию. При пропускании тока тепло переносится с одной стороны на другую. В основе работы элементов Пельтье 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. При контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Поэтому при практическом применении используется к онтакт двух полупроводников. Элемент Пельтье состоит из одной или более пар небольших полупроводниковых параллелепипедов — одного n-типа и одного p-типа в паре (обычно теллурида висмута Bi₂Te₃ и твёрдого раствора SiGe), которые попарно соединены при помощи металлических перемычек (рис.1). В нашем случае это элементы TEC1 12706 и TEC1 12715, где 127 – это число термопар, 06 и 15 – максимальная сила тока. Фактическое устройство мы рассмотрели осторожно вскрыв испорченный в ходе экспериментов один из элементов (Приложение 1, рис. 1). Металлические перемычки одновременно служат термическими контактами и изолированы непроводящей плёнкой или керамической пластинкой. Пары параллелепипедов соединяются таким образом, что образуется последовательное соединение многих пар полупроводников с разным типом проводимости, так чтобы вверху были одни последовательности соединений (n→p), а снизу — противоположные (p→n) (рис.2). Электрический ток протекает последовательно через все параллелепипеды. В зависимости от направления тока верхние контакты охлаждаются, а нижние нагреваются – или

наоборот. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

1. 2. Элемент Пельтье — термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого основан на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель) (рис.3). Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например, элементы Пельтье применяются в ПЦР-амплификаторах в медицине, малогабаритных автомобильных холодильниках, охлаждаемых банкетных тележках, применяемых в общественном питании, то есть где применение компрессорной холодильной установки невозможно или нецелесообразно из-за габаритных ограничений, и, кроме того, требуемая мощность охлаждения невелика. Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью (ПЗС-матриц) в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например, в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах (например, ИКГСН в ракетах ЗРК, ПЗРК «Джавелин», «Стингер» американского производства). Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать температуру излучателя, и длину волны излучения. В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30—40 градусов ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до −80 °C для одностадийных холодильников и до −120 °C для двухстадийных). Некоторые энтузиасты используют модуль Пельтье для охлаждения процессоров при необходимости экстремального охлаждения без азота. Также охладители Пельтье получили применение в устройствах охлаждения электротехнических DC шкафов и другого оборудования постоянного тока, а также, для охлаждения оборудования, для которого компактные габаритные размеры, невосприимчивость к ориентации в пространстве и отсутствие необходимости в техническом обслуживании имеют решающую роль.

Достоинствами элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие шума, каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При смене направления тока возможно, как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность изменения температуры, выделяемой Элементом Пельтье. Т.к. работа элемента Пельтье основывается на разности температур, то одним из перспективных мест для применения будут являться регионы с холодным климатом. Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством является отсутствие шума. Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия (КПД), чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.

1. 3. Но в данной работе нас будет интересовать обратный процесс – преобразование разности температур в электрическую энергию.В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил, что температурный градиент, образованный между двумя разнородными проводниками, может производить электричество. В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук. В основе термоэлектрического эффекта Зеебека лежит тот факт, что температурный градиент в токопроводящем материале вызывает тепловой поток, что приводит к переносу носителей заряда. Поток носителей заряда между горячими и холодными областями, в свою очередь, создает разность потенциалов. Современная наука постоянно изыскивает всё новые и новые полупроводниковые композиции, и прогресс в этой области обеспечивается не столько теорией, сколько практикой, ввиду сложности физических процессов, происходящих в термоэлектрических материалах. Определённо можно сказать, что на сегодняшний день не существует термоэлектрического материала, в полной мере удовлетворяющего промышленность своими свойствами, и главным способом в создании такого материала является эксперимент.

Глава 2. Исследование эффективности источника электроэнергии на основе элемента Пельтье.

Для начала мы изучили основные электрические характеристики элементов Пельтье, заявленные производителем.

Технические характеристики элемента Пельтье TEC1-12706:

• Рабочее напряжение – от 3,7 В до 12 В

• Максимальное напряжение – 15,2 В

• Рабочий ток – 6 А

• Мощность – 53 Вт

• Рабочая температура – от -40˚С до 60˚C

• Максимальная рабочая разница температур – 80 ˚C

• Размеры, мм 40×40×4

• Количество термопар 127

Технические характеристики элемента Пельтье TEC1-12715:

• Рабочее напряжение – от 3,5 В до 15 В

• Максимальное напряжение – 15,4 В

• Рабочий ток – 15 А

• Мощность – 137 Вт

• Рабочая температура – от -50˚С до 70˚C

• Максимальная рабочая разница температур – 80˚C

• Размеры, мм 40×40×4

• Количество термопар 127

Некоторые данные, такие как сила тока и мощность элемента TEC1-12715 у нас вызвали определённые сомнения. При таких малых размерах и такие высокие показатели?! Конечно же, это требует экспериментальной проверки. Но сначала необходимо все имеющиеся элементы проверить на работоспособность. Для испытаний мы собрали собственный термоэлектрический генератор на основе одного элемента Пельтье. При помощи термоклея мы присоединили к нашему элементу Пельтье радиатор от старого компьютера, который будет служить охладителем данной системы и подключили, соблюдая полярность к источнику постоянного тока с напряжением 12 В. В считанные секунды свободная от радиатора поверхность элемента заметно охладилась. Для демонстрации данного явления мы капнули на холодную поверхность несколько капель воды и поместили в воду спичку. Спичка моментально примёрзла к поверхности элемента! (Приложение 1, рис.2) Значит, разница температур создаётся довольно большая – элемент работает. Так мы проверили все имеющиеся в нашем распоряжении элементы Пельтье.

2.1. Теперь испытаем элемент Пельтье TEC1-12706на определение основных электрических характеристик относительно эффекта Зеебека. Поместив радиатор нашего устройства над электрической плиткой, а сверху установив ёмкость со снегом с постоянной температурой 1,5˚С, мы смогли сделать необходимые замеры и установить зависимость получаемого напряжения на выходе от разности температур на гранях элемента (Приложение 1, рис.3).

Полученные данные мы занесли в таблицу.

Таблица №1.

По полученным данным мы построили график зависимости получаемого на выходе напряжения от разницы температур на поверхностях элемента (рис.5):

Из графика видно, что рост напряжения почти линейно зависит от разницы температур и лишь в конце рост напряжения заметно уменьшается. Это связано, скорее всего с тем, что от сильного нагрева начинает нагреваться и верхняя грань элемента, не смотря на постоянную температуру тающего снега. Произведя такие же испытания с элементом Пельтье TEC1-12715, мы к сожалению, пришли к абсолютно таким же результатам. Таким образом мы подтвердили свои опасения по завышенным данным данного элемента.

2.2. Теперь посмотрим, какие данные нам покажут вольтметр и амперметр при последовательном и параллельном соединении четырёх элементов Пельтье. Данные этих экспериментов нам будут необходимы при дальнейшем выполнении основной задачи работы – создании зарядного устройства для телефона на основе элемента Пельтье.

Сначала мы исследовали возможности элементов Пельтье при последовательном соединении. Для этого мы при помощи термоклея на радиаторе закрепили четыре элемента, соединили их последовательно (Рис.6) и провели эксперимент, описанный выше (Приложение 1, рис.4). Данные эксперимента занесли в таблицу №2.

Таблица №2.

Затем мы соединили эти же элемент попарно и параллельно и провели эксперимент (рис.7). Полученные данные занесли в таблицу №3.

Таблица №3.

По полученным данным построили две вольтамперные характеристики при последовательном и параллельном соединении четырёх элементов Пельтье (Рис.8).

Рис.8

Из графиков видно, что при помощи последовательного соединения элементов можно увеличить общее напряжение, а при помощи параллельного соединения можно увеличить общую силу тока в цепи, но мощность при этом немного уменьшается. Это связано с внутренним сопротивлением элементов Пельтье (R ≈ 2,4 Ом) и значительным уменьшением напряжения. Отсюда можно сделать вывод, что для изготовления альтернативного зарядного устройства для получения постоянного напряжения 5 В, необходимого для телефона, нам придётся использовать не менее шести элементов Пельтье, а для поддержания силы тока около 1 А, необходимого для достаточно быстрой зарядки, придётся использовать смешанное соединение.

Глава 3. Изготовление и исследование альтернативного зарядного устройства на основе элемента Пельтье.

Для изготовления непосредственно зарядного устройства нам необходимо получить источник постоянного тока, который бы создавал напряжение примерно 5 В и поддерживал силу тока в пределах 1 А при оптимальной и доступной в походных условиях разницей температур порядка 50 – 60˚С. В качестве нагревателя можно легко использовать горячие угли костра, а холодильником может послужить либо снег, либо холодная вода из родника или реки.

3.1. Для получения напряжения 5 В мы использовали 6 элементов Пельтье TEC1-12715 и при помощи термоклея, который по инструкции выдерживает нагревание до 200˚С, закрепили их на массивной стальной плитке для равномерного нагревания и исключения резких перепадов температур, а соединительные провода защитили при помощи термоусадочной трубки (Приложение №2, рис.1). Для нагревания устройства мы использовали складную кейс горелку, очень компактную и удобную для использования в походных условиях и небольшие декоративные свечи в гильзе. Охладителем у нас был снег в обычной стальной ёмкости. Разницу температур мы контролировали при помощи лазерного и электронного термометров (Приложение №2, рис.2). При помощи вольтметра и амперметра по мере нагревания плиты мы наблюдали за показаниями силы тока и напряжения в устройстве. По данным приборов заполнили таблицу №4 и построили график зависимости напряжения от разницы температур (рис.9).

Таблица №4.

Рис.9

Из полученных данных видно, что наше устройство выдаёт достаточное напряжение, но сила тока мала. Поэтому и выходная мощность имеет крайне низкое значение. Но мы всё равно решили испытать наше устройство на практике.

1. 2. Для этого мы смонтировали и присоединили к выходному проводу устройства электронный стабилизатор, который, не взирая на небольшие перепады температур, поддерживал напряжение в пределах 5 В и повторили эксперимент, подключив к системе обычный телефон. При разнице температур ≈ 50 – 60˚С телефон среагировал на зарядное устройство и начал заряжаться (Приложение №2, рис.3). Конечно, при такой низкой силе тока полной зарядки телефона, нам, скорее всего, не дождаться, но произвести звонок, иногда так необходимый в экстремальной ситуации, вполне возможно. А если изготовить такую же плиту с в два раза большим количеством элементов Пельтье и применить смешанное соединение, то можно получить вполне рабочее и функциональное зарядное устройство, адаптированное к походным условиям. Тем более что каких-то больших финансовых затрат на изготовление подобного устройства не потребуется, так как почти всё выполнено из подручных средств, а сами элементы Пельтье стоят недорого – порядка 130 – 140 рублей, и, если соблюдать технические данные по максимальной температуре использования, то подобное устройство прослужит внушительно долго.

Глава 4. Возможная область применения зарядного устройства на основе элемента Пельтье.

Современный мир наполнен техническими устройствами, которыми ежедневно пользуются люди. Все гаджеты работают на электричестве и нуждаются в периодической подзарядке, так как время их автономной работы ограничено ёмкостью используемого аккумулятора. Иногда запасной power bank тоже оказывается разряженным. Возникает необходимость подзарядки через альтернативные устройства вдалеке от традиционного источника тока. В результате работы над проектом было собрано устройство «Термоэлектрогенератор на элементе Пельтье», с помощью которого можно производить подзарядку современных гаджетов, рассчитанных на напряжение 5 В. Сфера применения этого устройства огромна. 5 Вольт – это одно из самых широко используемых напряжений. От этого напряжения питается большинство программируемых и непрограммируемых микроконтроллеров, всевозможных индикаторов и тестеров. Кроме того, данное напряжение используется для зарядки многих гаджетов: телефонов, планшетов, плееров и так далее.

Элементы Пельтье довольно компактные, их можно встроить в неподвижные области верхней одежды и обуви. В итоге одна сторона будет нагреваться от тепла, вырабатываемого человеком, а другая – охлаждаться от окружающей среды. Также элемент Пельтье можно использовать в термобелье для работников на Северном полюсе. От внешнего холода и температуры тела будет создаваться разность температур, что обеспечит большое количество электроэнергии.  А если за основу корпуса взять эластичный материал с высокой теплопроводностью, можно сделать его гибким. Эластичность позволит вшивать термогенератор на подвижные части тела.

В Якутии, например, придумали генератор для оленеводов, проживающих в юртах, вырабатывающий энергию из разности температур. В юрту к печи устанавливается вращательный механизм, а на улицу охлаждающуюся часть. Из-за разности температур механизм, на основе жидкости, начинает вращаться, и, тем самым, вырабатывает электроэнергию. Принцип работы слишком примитивный, т.к. установка имеет слишком большие размеры, что неудобно для жителей юрты. Также это неудобно из-за частых переездов оленеводов. Жидкость в механизме будет постоянно замерзать из-за низких температур. Элемент Пельтье займет намного меньше места, т.к. его надо будет установить на крышу, так, чтобы один элемент нагревался от печи, а другой охлаждался на улице. Произведя необходимые расчёты, можно достичь необходимого в обиходе напряжения. Также при переездах, не составит труда перенести установку на новое место, благодаря их компактности и прочности. Поэтому, использование Элемента Пельтье, как генератора энергии из разности температур, будет более удобным и мобильным. При чём получить разность температур можно вообще без каких-либо затрат энергии. Например, нашу модель из четырёх элементов Пельтье, которую мы использовали для исследования последовательного и параллельного соединения, можно пустить по обратному процессу, поменяв контакты наоборот. То есть не нагревать радиатор, а наоборот, поместить его в холодную среду (снег или холодный ручей), а верхнюю грань нагревать в ясную погоду лучами Солнца, покрасив поверхность элементов Пельтье в чёрный цвет для наибольшего поглощения лучей (Приложение №2, рис.4).

Заключение. В результате проведённого исследования и проделанной практической работы, можно сделать следующие выводы:

1. элемент Пельтье возможно использовать как альтернативный способ получения электроэнергии, даже от тепла человеческого тела;

2. срок годности и время работы данного источника электрической энергии неограничен, главное наличие небольшой разности температур;

3. данная конструкция требует дальнейшей доработки, с целью сделать её более эффективной, компактной и удобной;

4. в дальнейшем планируется работа по усовершенствованию данной конструкции с целью стабилизации ее работы и увеличения КПД.

Достоинства элементов Пельтье:

• отсутствие механически движущихся частей, газов, жидкостей;

• бесшумная работа;

• небольшие размеры;

• возможность обеспечивать как охлаждение, так и нагревание;

• возможность плавного регулирования мощности охлаждения;

• позволяет соединение множества элементов в один каскад;

• при смене полярности питающего напряжения можно менять стороны охлаждения и нагревания;

• возможность работы элемента в обратном режиме для получения электрической энергии.

Недостатки элементов Пельтье:

• низкий кпд;

• отсутствие достаточно мощных элементов.

В ходе данной работы мы исследовали интересные и особенные свойства элемента Пельтье. Одной из самых интересных особенностей элемента Пельтье является то, что он может не только использовать электрическую энергию для получения тепла и холода, но также и можно запустить обратный процесс – из холода получить электрическую энергию. И не смотря на недостатки этого элемента, мы считаем, что его практическое использование применяется недостаточно широко. Можно предположить, что в ближайшем будущем элемент Пельтье достигнет нового усовершенствования и получит более широкое применение.

Список используемых источников:

1. Физическая энциклопедия. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - Т.5.- С.98-99, 125.

2. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.490-494.

3. Стильбанс Л.С. Физика полупроводников.- М., 1967.- С.75-83, 292-311.

4. Иоффе А.Ф. Полупрводниковые термоэлементы.- М., 1960.

5. Список используемых сайтов:

• https://ru.wikipedia.org/wiki/

• http://radiokot.ru/lab/hardwork/91/

• Элемент Пельтье// интернет ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/

• Эффект Зеебека // интернет ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/

• Эффект Пельтье// интернет ресурс:https://ru.wikipedia.org/wiki/

Приложение 1.

Рис.2. Исследование эффекта Пельтье.

Рис.4. Исследование последовательного и параллельного соединения.

Рис.1. Устройство элемента Пельтье.

Рис.3. Замер температуры охладителя.

Рис.4. Генерирование электрической энергии без дополнительных затрат энергиии.

Рис.2. Замер температуры нагревателя.

Рис.1. Исследование зарядного устройства.

Приложение 2.

Рис.3. Проверка работы зарядного устройства.