V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Применение элементов Пельтье в качестве альтернативного источника питания для медицинских приборов длительной диагностики
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Сердце как элемент сердечно-сосудистой системы выполняет роль своеобразного насоса, позволяющего перегонять кровь по всему телу и дополнительно производить ее обработку. Кардиологические проблемы – не редкость, они могут носить как врожденный, так и приобретенный характер и выступать в разной степени тяжести. Для оценки состояния работы сердечной мышцы активно применяется метод электрокардиографии. Обычная электрокардиография далеко не всегда может дать необходимую информацию о работе сердечно-сосудистой системы, так как проводится в конкретный промежуток времени. Сложность состоит в том, что, например, приступы аритмии могут настигать пациента только пару раз в день при определенной нагрузке, а во время исследования в больнице проблема вообще себя не проявит. Поэтому суточное исследование становится наиболее ценным диагностическим методом. Именно на его принципах и построено так называемое Холтеровское мониторирование, однако эта процедура имеет целый ряд особенностей и позволяет получить более полную картину. Она проводится в течение суток и требует бесперебойного источника питания.
В настоящее время для данных приборов используют такие источники питания как ионолитиевые батарейки и щелочные аккумуляторы. Однако они недолговечны и, при нарушении герметичности оболочки, могут вызвать химический ожог и аллергические реакции, а так же требуют специализированной утилизации при выходе из строя. При неправильной утилизации вышедших из строя батареек и аккумуляторов происходит загрязнение окружающей среды. Альтернативой источникам питания, основанным на химической реакции, может стать термогенератор на основе элемента Пельтье, так как он вырабатывает электроэнергию за счёт разницы температур, чем можно обеспечить бесперебойную подачу электричества на прибор, и не наносит вреда окружающей среде.
В современной медицине для выявления кардиологических проблем используются приборы длительной диагностики, такие, например, как ЭКГ-холтеры. В основе их электропитания лежат источники, основанные на химической реакции, однако они не всегда безопасны для здоровья человека и окружающей среды. Целью данной работы стало конструирование самодельного альтернативного источника питания на основе элементов Пельтье для обеспечения бесперебойного питания приборов длительной медицинской диагностики.
Задачи исследования:
• Изучить принцип работы и устройство элементов Пельтье.
• Рассмотреть особенности термоэлектричества.
• Определить оптимальную схему для сборки альтернативного источника питания на основе элементов Пельтье.
• Собрать схему и изготовить альтернативный источник питания на основе элементов Пельтье.
• Проверить в работе изготовленный источник питания.
• Сделать выводы о плюсах и минусах о применении элементов Пельтье в качестве альтернативного источника питания.
Решение задач
В процессе изучения характеристик ЭКГ-холтера была выявлена потребляемая мощность 1,5-2 Вт. На основе данных показаний был создан термогенератор на основе элемента Пельтье, который выдал от 1,5 до 4-х Вт. По результатам проведенного опыта можно сказать, что данный источник питания возможно применять для электропитания медицинских приборов длительной диагностики, однако данная конструкция не выдаёт постоянного напряжения и требует доработки.
Основная часть
Что такое термоэлектричество
Термоэлектричество представляет собой совокупность явлений, в которых разница температур создаёт электрический потенциал, или электрический потенциал создаёт разницу температур.
Существуют две главные сферы, в которых термоэлектрические устройства могут использоваться для повышения эффективности использования энергии и/или снижения уровня загрязнения, - это преобразование отработанного тепла в пригодную для использования энергию и охлаждение. Термоэлектричество применяется в таких устройствах как портативные холодильники, кулеры для напитков, охладители электронных узлов, устройства сортировки металлических сплавов и т. д.
Также термоэлектричество может применяться в системах преобразования солнечной энергии.
В настоящее время, некоторые электростанции используют метод, известный как когенерация: в дополнение к произведенной электроэнергии вырабатывается тепло, которое используется в альтернативных целях.
Термин "термоэлектричество" охватывает три взаимосвязанных эффекта: термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона. Все они характеризуются соответствующими коэффициентами, различными для разных материалов.
Термоэлектрические устройства, применимые охлаждению, используя эффект Пельтье, могут уменьшить выбросы в атмосферу веществ, истощающих озоновый слой. Недавно было принято законодательство, регулирующее использование таких химикатов для охлаждения; текущее международное законодательство контролирует объемы этих веществ, и запрещает их производство после 2020 года.
Также термоэлектричество может быть использовано с целью получения энергии прямым путем. Термоэлектрический генератор – это устройство прямого преобразования энергии, позволяющее избежать механического цикла, как например при получении электричества на теплоэлектростанциях или гидроэлектростанциях, где используется энергия пара и падающей воды, т.е. механическая энергия, создающая электромагнитную индукцию, порождающую переменный ток, который затем преобразовывается в постоянный, накапливается, передается в потребление. На этом принципе держится почти вся современная энергетика.
Процесс преобразования энергии происходит весьма просто: на одну сторону термоэлектрического ТН подается тепло, на другую холод, этого достаточно для получения электроэнергии.
В настоящее время для охлаждения используются парокомпрессионные охладители и они всё ещё эффективнее чем элементы Пельтье, но они намного больше, громче и сложнее в обслуживании.
Устройство и принцип работы элементов Пельтье
Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.
Если учесть тот факт, что в повседневной жизни мы довольно часто сталкиваемся с тем, что выработанная каким-либо прибором тепловая энергия уходит в никуда, то использование элементов Пельтье в данном случае кажется единственно верным.
Современные технологии позволяют изготовить полупроводниковые элементы-модули с максимальным термоэлектрическим эффектом. Имеет смысл кратко рассказать об их конструкции.
Современные модули представляют собой конструкцию, состоящую из двух пластин-изоляторов (как правило, керамических), с расположенными между ними последовательно соединенными термопарами.
А – контакты для подключения к источнику питания;
B – горячая поверхность элемента;
С – холодная сторона;
D – медные проводники;
E – полупроводник на основе р-перехода;
F – полупроводник n-типа.
Конструкция выполнена таким образом, что каждая из сторон модуля контактирует либо p-n, либо n-p переходами (в зависимости от полярности). Контакты p-n нагреваются, n-p – охлаждаются. Соответственно, возникает разность температур (DT) на сторонах элемента. Для наблюдателя этот эффект будет выглядеть, как перенос тепловой энергии между сторонами модуля. Примечательно, что изменение полярности питания приводит к смене горячей и холодной поверхности.
А – горячая сторона термоэлемента, В – холодная
Рассмотрим, как расшифровывается типовая маркировка модулей на примере рисунка.
Модуль Пельтье с маркировкой ТЕС1-12706
Маркировка разбивается на три значащих группы:
Обозначение элемента. Две первые литеры всегда неизменны (ТЕ), говорят о том, что это термоэлемент. Следующая указывает размер, могут быть литеры «С» (стандартный) и «S» (малый). Последняя цифра указывает, сколько слоев (каскадов) в элементе.
Количество термопар в модуле, изображенном на фото их 127.
Величина номинального тока в Амперах, у нас – 6 А.
Области применения элементов Пельтье
Несмотря на довольно низкий КПД, термоэлектрические элементы нашли широкое применение в измерительной, вычислительной, а также бытовой технике. Модули являются важным рабочим элементом следующих устройств:
• Мобильных холодильных установок;
• Небольших генераторов для выработки электричества;
• Систем охлаждения в персональных компьютерах;
• Кулеры для охлаждения и нагрева воды;
• Осушители воздуха и т.д.
Приведем детальный пример использования термоэлектрических модулей.
Холодильник на элементах Пельтье
Термоэлектрические холодильные установки значительно уступают по производительности компрессорным и абсорбционным аналогам. Но они имеют весомые достоинства, что делает целесообразным их использование при определенных условиях. К таким преимуществам можно отнести:
• Простота конструкции;
• Устойчивость к вибрации;
• Отсутствие движущихся элементов (за исключением вентилятора, обдувающего радиатор);
• Низкий уровень шума;
• Небольшие габариты;
• Возможность работы в любом положении;
• Длительный срок службы;
• Небольшое потребление энергии.
Такие характеристики идеально подходят для мобильных установок.
Схема альтернативного источника питания на основе элементов Пельтье
Материалы, используемые для создания источника питания
В процессе сборки нами были использованы:
• Элемент Пельтье -6 шт.;
• Радиатор алюминиевый -3 шт.;
• Термопаста;
• Лампочка светодиодная;
• Вольтметр;
• Преобразователь электроэнергии DC-DC 0.9-5 B с USB.
VI. Процесс сборки альтернативного источника питания на основе элементов Пельтье
1. Последовательное соединение элементов Пельтье между собой.
2. При помощи термопасты данные элементы прикрепляем к алюминиевым радиаторам.
3. Затем подсоединяем преобразователь электроэнергии к элементам Пельтье.
4. Далее к преобразователю подключаем светодиодную лампу, она будет индикатором работы нашей электрической цепи.
Источник питания на основе элемента Пельтье.
Проверка работы альтернативного источника питания на основе элементов Пельтье
После того, как наш источник энергии собран, его нужно проверить в работе. Для этого элементы Пельтье необходимо поместить на человеческое тело (у нас грелка t=36,6 градусов).
Как видно, за счёт разницы температур человеческого тела и окружающей среды вырабатывается электроэнергия, которая может быть использована для работы различных приборов вместо батареек.
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 компактной и удобной для носки на человеческом теле;
4. В дальнейшем планируется работа по усовершенствованию данной конструкции с целью стабилизации ее работы и увеличения КПД.
Список использованных источников и литературы
1. Сайт www.electrosam.ru
2. Сайт www.scsiexplorer.com
3. Сайт www.syl.ru
4. Сайт www.wikipedia.org