Проект «Выработка электроэнергии посредством контрастных температур» ученика 10г класса МБОУ «Гимназия № 11» г.о. Балашиха Грушенко Богдана. Руководитель проекта, учитель физики, Титова Елена Вячеславовна

Индивидуальный проект по теме: «Выработка электроэнергии посредством контрастных температур» Автор: Грушенко Богдан Владимирович Руководитель: Титова Елена Вячеславовна

Муниципальное Бюджетное Общеобразовательное Учереждение

«Гимназия №11»

2019 г.

Содержание

• Введение 3
• Элемент Пельтье 9
• Свойства элемента Пельтье 10
• Применение элемента Пельтье 11
• Возможности элемента Пельтье 14
• Вычисление теоретической мощности 15
• Применение выработанной электроэнергии 19
• Создание универсальной сборки из элемента Пельтье 20
• Схема сборки 21
• Сборка с элементом Пельтье 22
• Мощность сборки 25
• Стоимость сборки 26
• Выводы 27

Введение

• В современном мире люди стараются извлечь больше пользы из работы определенных механизмов. При использовании старых технологий, КПД механизмов довольно мал, так как очень много энергии тратится на побочное выделение тепла, которому не находится применение.
• Постепенно, люди пытаются решить эту проблему, посредством преобразования тепловой энергии в электроэнергию.

Актуальность

• На многих производствах находятся устаревшие механизмы, они потребляют много энергии при малом КПД. Повышение КПД, посредством небольших вложений без конструктивных изменений механизма, будет очень хорошей альтернативной замене данного агрегата.

Объект исследования Предмет исследования

• Установка с элементами Пельтье

• Цена сборки и способность вырабатывать электроэнергию

• Вычисление, анализ

Методы исследования

Цель

• Создание конструкции, которая будет способна из выделенного «побочного» тепла от механизмов вырабатывать электроэнергию.

Задачи

• Узнать, что такое элемент Пельтье?
• Определить, какие свойства имеет элемент Пельтье?
• Выяснить, где можно применить элемент Пельтье.
• Рассмотреть варианты применения элемента Пельтье.
• Вычислить теоретическую мощность сборки.
• Создать схему универсальной сборки из элементов Пельтье.
• Сделать универсальную сборку из элементов Пельтье.
• Проверить теоретические расчеты мощности сборки.
• Протестировать сборку в действии.
• Вычислить стоимость и окупаемость сборки.
• Сделать выводы.

Практическая значимость

• Практическая значимость работы заключается в том, что результаты данной работы могут быть использованы для выработки электроэнергии из побочных выделений тепла при определенной необходимости.

Элемент Пельтье

• Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.

Свойства элемента Пельтье

• У данного элемента есть интересное свойство. При создании разности температур модуль начинает вырабатывать электроэнергию (при разнице температур как минимум в 20 градусов). Это свойство пригодится в дальнейшем.

Применение элемента Пельтье

Элемент Пельтье имеет множество сфер применения:

• На производстве с использованием двигателя (с выделением тепла).
• В походах (возможна работа от огня).
• При необходимости, преобразование тепловой энергии в электрическую энергию без подвижных механизмов.

Применение на «побочном» тепле

• Элемент Пельтье можно использовать в электродвигателях. Как известно при работе они нагреваются, и это тепло просто переходит в воздух. Но при установке элемента Пельтье станет возможным выработка электроэнергии из этого тепла. С помощью нее мы сможем, к примеру, осветить помещение.

Применение элемента Пельтье в условиях похода

• В условиях нахождения вне цивилизации, человек лишается возможности зарядки устройств от сети 220в. В этом случае элемент Пельтье поможет решить эту проблему. С помощью тепла от огня мы можем зарядить нужное нам устройство.

Возможности элемента пельтье

• Возможности элемента Пельтье ограничиваются только областью его применения.
• Компактность позволяет использовать сразу несколько элементов в группе для увеличения производительности.
• Простота конструкции делает элемент Пельтье довольно надежным источником энергии.

Вычисление теоретической мощности

• Модуль ТЕС1-12705 нагреваем его не выше 150 °С, далее охлаждаем в воде с температурой 15 °С, то есть на холодной стороне будет 20 °С. Перепад температур 150 - 20 = 130 °С.
• Берём два максимальных значения на графике зависимости эффективности от тока для ТЕС1-12705. Например, 13,6 мВт/°С для усреднённой разности температур 71 °С и 15,7 мВт/°С для 87 °С.

Рассчитываем на какую величину увеличилась эффективность элемента при повышении разности температур, на 87 - 71 = 16 °С. Получается на 2,1 мВт/°С.

Вычисление теоретической мощности

Вычисление теоретической мощности

• А дальше по пропорции: если увеличение разности на 16 °С привело к увеличению эффективности на 2,1 мВт/°С, то увеличение разности на

130 - 87 = 43°С

приведёт к увеличению эффективности на

(43 ⋅ 2,1) : 16 = 5,6 мВт/°С.

Значит эффективность при разности температур в 130 °С будет равна

15,7 + 5,6 = 21,3 мВт/°С.

В итоге получаем 21,3 ⋅ 130 = 2769 мВт или 2,8 Вт.

Вычисление теоретической мощности

• При использовании 4 элементов Пельтье, мощность составит 11.2 Вт ⋅ ч
• При максимально возможной компоновке элементов возможна выработка 20 Вт ⋅ ч электроэнергии.

Применение выработанной электроэнергии

• Вырабатываемой энергии (при работе 6 элементов) хватит на работу двух led ламп (мощностью 10w).
• Зарядка телефонов (при зарядном токе около 1-2А и напряжении 5В)

Создание универсальной сборки из элемента пельтье

Сборка с элементом пельтье

Элемент Пельтье

Модуль

питания

Сборка с элементом пельтье

Радиатор нагревания

Радиатор охлаждения

Сборка с элементом пельтье

Целиковая сборка с элементом Пельтье (сверху вниз):

• Радиатор охлаждения
• Элемент пельтье
• Радиатор нагревания
• Модуль питания (находится справа, подсоединен к сборке через провода)

мощность сборки

В работе была протестирована сборка, измерено выходное напряжение и силу тока (при разности температур 60 °С ):

• U=1,5В
• I=0,3А
• Мощность около 0,75Вт

Оптимальная разница температур 140-150°С (выработка около 3В, 1А, 3Вт).

Стоимость сборки

• Стоимость:

- Радиатор охлаждения 350 руб

- Радиатор нагрева 200 руб

- Элемент Пельтье 150 руб

Итого – 700 руб

Каждый дополнительный элемент +150 руб

В час будет произведено 3 Вт ⋅ ч (С напряжением 3В)

Выводы

• В процессе работы было выяснено, что элемент Пельтье – это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока.
• Свойство элемента Пельтье заключается в том, что при создании разности температур модуль начинает вырабатывать электроэнергию.
• Элемент Пельтье можно применять на производстве с использованием двигателя, в походах, при необходимости, возможно преобразование тепловой энергии в электрическую энергию без подвижных механизмов.
• В работе представлены варианты применения элемента Пельтье: использование элемента в электродвигателях и возможность зарядки устройств с помощью тепла от огня посредством элемента Пельтье.

Выводы

• Получены теоретические расчеты мощности 2,8 Вт.
• После проверки теоретических расчетов мощности сборки получился похожий результат равный 3 Вт.
• После тестирования сборки в действии, было подтверждено, что элемент Пельтье способен вырабатывать достаточное количество электроэнергии.
• После ряда вычислений стоимости и окупаемости продукта получилось следующее: стоимость ≈ 700 руб.

Список использованных информационных ресурсов

• Интернет – ресурс: https://ru.wikipedia.org/wiki/Элемент_Пельтье
• Интернет – ресурс: https://geektimes.ru/post/257340/
• Интернет – ресурс: http://izobreteniya.net/moshhnyiy-generator-na-12-modulyah-pelte/
• Интернет – ресурс: http://inerton.ucoz.ru/publ/ehlektronika/dc_dc_preobrazovateli/generator_na_ehlemente_pelte/16-1-0-30

Спасибо за внимание!