V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ЭЛЕМЕНТ ПЕЛЬТЬЕ КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день потребности населения планеты растут с каждым днем все больше. Для решения проблемы ограниченности ископаемых видов топлива исследователи во всем мире работают над созданием и внедрением в эксплуатацию альтернативных источников энергии. На смену газу и нефти может прийти энергия от водорослей, вулканов и человеческих шагов. Если не будут найдены новые виды источников энергии, то реальность, которая предстанет перед нашими внуками, будет ужасающей. Поэтому, многие ученые пытаются найти новые неисчерпаемые источники энергии.
Объект исследования: Элемент Пельтье
Предмет исследования: модель термоэлектрического преобразователя
Цель исследования: обоснование использования элемента Пельтье как альтернативного источника энергии
Задачи:
1. изучить теоретические аспекты данной проблемы;
2. найти способы изучения эффекта Элемента Пельтье ;
3. создать в домашних условиях модель;
4.сделать выводы.
Гипотеза: если Элемент Пельтье в предложенной модели будет вырабатывать электричество, то он может применяться как альтернативный источник энергии.
Практическая значимость: возможность в дальнейшем применять данные в повседневной жизни.
Методы: моделирование, эксперимент, анализ.
ГЛАВА 1.Теоретические аспекты проблемы
1.1. Элемент Пельтье
Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.
В основе работы элементов Пельтье лежит контакт двух токопроводящих 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. У элементов Пельтье есть такая особенность, что если нагреть одну и охдадить другую стороны, то элемент начинает генерировать электричество.[5]
1.2.Эффект Пельтье́.
Эффект Пельтье́ — термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников.
Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока.
Эффект открыт Ж. Пельтье в 1834 году, суть явления исследовал несколькими годами позже — в 1838 году Ленц, который провёл эксперимент, в котором он поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы. При пропускании электрического тока в одном направлении капля превращалась в лёд, при смене направления тока — лёд таял, что позволило установить, что в зависимости от направления протекающего в эксперименте тока, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Эффект Пельтье «обратен» эффекту Зеебека.
Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, это свойство используется в элементах Пельтье.[7]
1.3. Эффект Зеебека.
Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.
Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.
Данный эффект был открыт в 1821 году Т. И. Зеебеком. 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.
Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой.
Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими:
- различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах;
- различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов [6]
1.4. Альтернативный источник энергии.
Основным направлением альтернативной энергетики является поиск и использование альтернативных (нетрадиционных) источников энергии. Источники энергии — «встречающиеся в природе вещества и процессы, которые позволяют человеку получить необходимую для существования энергию».
Альтернативный источник энергии является возобновляемым ресурсом, он заменяет собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению. Причина поиска альтернативных источников энергии — потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность.
Под альтернативной энергетикой обычно подразумевают возобновляемые источники энергии, иногда, исключаяиз этого списка малые гидроэлектростанции. В этот список входят электростанции, работающие от энергии солнца, ветра, геотермальные, приливные, работающие на биотопливе и некоторые другие более редкие типы. [1;2]
1.5. Потенциальные альтернативные источники энергии.
Соленая вода
В Норвегии существует экспериментальная электростанция компании Statkraft. Объект работает на использовании эффекта осмоса: смешивание соленной и пресной воды освобождает энергию за счет увеличивающейся энтропии жидкостей. Эта же энергия вращает гидротурбины генератора.
Пьезоэлектрические генераторы
Создано немалое число экспериментальных установок по выработке кинетической энергии с помощью пьезоэлектрических генераторов. Практичность этого типа энергетических установок доказывают турникеты, танцполы и пешеходные дорожки, где применяется данная технология.
Человек
Удивительно, но человек тоже может быть источником энергии. Специальные наногенераторы способны улавливать микроколебания в человеческом теле и преобразовывать их в электрическую энергию, которой как раз достаточно на то, чтобы подзарядить мобильник.
Топливные элементы
Топливные элементы с твердооксидным электролитом нередко демонстрируются на отраслевых выставках. Энергия, которая выделяется при сжигании топлива непосредственно переходит в электрическую.
В итоге, существует масса способов заменить традиционные энергетические ресурсы. Задача теперь — снизить их убыточность. [4]
ГЛАВА 2. Построение модели альтернативного источника питания.
Конструирование модели.
Для проведения опыта нам нужно построить стенд.
Сборка стенда:
Делаем каркас из алюминиевых уголков. (фото 2, приложения II )
Из фанеры вырезаем стенки короба.(фото 2, приложения II )
Из люминиевой трубки делаем проставки между коробом и текстолитом.
(фото 3, приложения III)
Берём кусок текстолита и вырезам в нём отверстия под элемент Пельтье и датчик терморегулятора. (фото 1, приложения II)
Вырезаем в боковой части короба отверстия для установки терморегулятора и автоматического выключателя. (фото 4, приложения Ш)
Организация:
Устанавливаем две розетки, одну внутри короба, другую снаружи.(фото5, приложения Ш)
К той, что внутри через автоматический выключатель подключаем провод с вилкой, по которому будет проходить питание стенда.
(рисунок 2, приложения I)
Подключаем терморегулятор к блоку питания. (рисунок 2, приложения I)
Наружную розетку подключаем через терморегулятор.
(рисунок 2, приложения I)
К элементу Пельтье подключаем диод, светодиод, конденсатор, амперметр и вольтметр. (рисунок 2, приложения I); (фото7, приложения IV)
Демонстрация модели.
Включаем стенд в розетку.
Включаем автоматический выключатель.(фото 6, приложения IV)
Снимаем показания приборов.(фото 8,9, приложения IV)
Данные эксперимента приведены в таблице 1.«Результаты эксперимента». (приложения I)
Из таблицы видно, что при увеличении разницы температур нагревателя и радиатора увеличивается сила тока, а также напряжение.
Вывод: при увеличении количества элементов Пельтье, а также разницы температур можно получить на выходе определенные силу тока и напряжение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время всё чаще и чаще говорят об эффекте Пельтье, элемент Пельтье легко можно купить в магазине.
Термоэлектрические модули Пельтье применяются:
в небольших бытовых и автомобильных холодильниках;
в охладителях воды;
в системах охлаждения электронных приборов и др.
К достоинству элементов Пельтье можно отнести:
- отсутствие механически движущихся частей, газов, жидкостей;
- бесшумная работа;
- небольшие размеры;
- возможность обеспечивать как охлаждение, так и нагревание;
- возможность плавного регулирования мощности охлаждения.
К недостаткамэлементов Пельтье можно отнести:
- низкий кпд;
-.высокая стоимость мощных модулей.
В результате создания нашей модели термоэлектрического преобразователя, на основе полученных данных, мы считаем, что обосновали использование элемента Пельтье как альтернативного источника энергии.
Данная модель является экспериментальной и поэтому, мы не видим смысла обосновывать её затратность.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Альтернативная энергетика//интернет ресурс:https://ru.wikipedia.org/wiki/
2.Альтернативная энергетика не для России?//интернет ресурс: http://www.tpp-inform.ru/vedomosti/mir/35815/
3. Практика применения элементов Пельтье// интернет ресурс: http://radiokot.ru/lab/hardwork/91/
4. Ученые расширили список источников альтернативной энергии// интернет ресурс: http://www.topclimat.ru/news/field/uchenye_rasshirili_spisok_istochnikov_alternativnoi_energii.html
5. Элемент Пельтье// интернет ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/
6. Эффект Зеебека // интернет ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/
7. Эффект Пельтье// интернет ресурс:https://ru.wikipedia.org/wiki/
ПРИЛОЖЕНИЯ
Таблица 1. «Результаты эксперимента»
|
№записи |
t 1 °C |
t 2 °C |
U В |
I мА |
ΔT |
|
1 |
28 |
27 |
0,01 |
2 |
1 |
|
2 |
37 |
31 |
0,35 |
5 |
6 |
|
3 |
48 |
33 |
0,8 |
7 |
15 |
|
4 |
54 |
36 |
1.04 |
8 |
18 |
|
5 |
79 |
44 |
2 |
9 |
35 |
|
6 |
83 |
45 |
2,08 |
14,3 |
38 |
|
7 |
96 |
49 |
2,37 |
35 |
47 |
Рисунок 1. Строение элемента Пельтье.
Рисунок 2. Схема электрическая принципиальная модели термоэлектрического преобразователя
Конструирование модели.
Фото 1. Выпиливаем отверстия в текстолите для элемента Пельтье и датчика терморегулятора.
Фото 2. Собираем стенд.
Фото 3. Устанавливаем площадку для нагревателя.
Фото 4. Автоматически настраиваем панель терморегулятора и автоматический выключатель.
Фото 5. Устанавливаем розетки.
Фото 6. Проверяем работу терморегулятора
Фото 7. Диод, светодиод, конденсатор и амперметр
Фото 8, 9 Проведение эксперимента.
Технические характеристики элемента Пельтье: Модель TEC1-12706 Наличие герметизации Да Рабочее напряжение, Вольт (V) от 3.7 до 12 Максимальное напряжение, Вольт (V) 15,4 (есть шанс вывести из строя) Рабочий ток, Ампер (A) 6 Мощность, Ватт (W) 53.3 Максимальная мощность охлаждения, Ватт (W) 53 Рабочая температура, градусов Цельсия