Устройство для автономного электроснабжения на основе элементов Пельтье при реализации эффекта Зеебека

№60-2,

Технические науки

В статье приводится решение создания устройства для автономного электроснабжения жилого здания, общей потребностью 2 кВт/сут. Устройство основано на работе целого ряда моделей Пельтье, но особенность данного устройства заключается в реализации эффекта Зеебека.

Похожие материалы

Развитие современной техники и технологий неразрывно связано с поиском новых источников энергии, в первую очередь - электрической. Основное требование - увеличить объем ее выработки, но в последнее время все большее внимание привлекает энергия, которая должна вырабатываться экологически чистым путем, должна быть возобновляемая и никак не связана с углеродом. Сегодня усилия многих ученых направлены на развитие «зеленой» энергетики. Не стало исключением и явление, открытое в 1821 году Т.И. Зеебеком (Th. J. Seebeck) и названное позже «Эффектом Зеебека». Эффект Зеебека, открытый в начале XIX века, актуален и в настоящее время [1]. Возможности его применения неограничены. Множество лабораторий и исследовательских центров занимаются разработкой способов применения эффекта Пельтье (обратный эффекту Зеебека) и очень малая часть занимается исследованием эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона, практических же приборов и устройств автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека нет.

Элемент Пельтье – это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека, который нам показался более интересным в практическом решении и создании автономного устройства электроснабжения.

Поскольку в основе термоэлектрической генерации лежит эффект Зеебека – термоэлектрический эффект, заключающийся в возникновении термоЭДС при нагреве контакта (спая) двух разнородных металлов или полупроводников (термопары). Напряжение термоЭДС (Eтэдс) прямо пропорционально коэффициенту Зеебека α и разнице температур ΔT между горячей Th и холодной Tc сторонами (спаями) термоэлектрического модуля (рисунок 1).

Схематическое представление эффекта Зеебека на примере спая термоэлектрических элементов n- и p-типа [1]
Рисунок 1. Схематическое представление эффекта Зеебека на примере спая термоэлектрических элементов n- и p-типа [1]

Для увеличения получаемых электрической мощности и напряжения термопары соединяют последовательно, при этом они образуют термобатарею, или термоэлектрический модуль, графическое изображение которого представлено на рисунках 2 и 3.

Чертеж термоэлектрического генераторного модуля [1]
Рисунок 2. Чертеж термоэлектрического генераторного модуля [1]
Термоэлектрический генераторный модуль в разрезе [1]
Рисунок 3. Термоэлектрический генераторный модуль в разрезе [1]

Разность температур между горячей и холодной стороной модуля Зеебека может достигать 70 °C.

Надо понимать, что эффективность термоэлектрического модуля Пельтье (для осуществления эффекта Зеебека) зависит от разницы температур, создаваемых на разных участках – чем больше разница температур, тем выше эффективность.

Предлагаемые нами полуметаллы (висмут, сурьма) и особенно полупроводниковые материалы позволяют получить значительно более высокую чувствительность, чем металлы – до 1000 мкВ/К.

Обосновывая принцип работы термоэлектрического генераторного модуля, мы приходим к его схематическому изображению в действительности и установке для работы (рисунок 4).

Схематическое изображение
Рисунок 4. Схематическое изображение

Используя данную схему, мы проектируем две системы для поддержания разницы температур (рисунок 4) – одна на поверхности обеспечивает одну температуру (среднесуточная температура зимой в средней полосе России -200С, летом +200С), другую помещаем ниже точки промерзания (1,6 м), где средняя температура колеблется от 2,6 до 3,6 0С. С помощью проводников данные системы связываются с модулями Зеебека. Единственное, что хочется здесь добавить это то, что потребуется теплоизоляция проводника, выходящего на поверхность (см. рисунок 5).

Описание: \\alldata\server\КАФЕДРЫ\_УНК Пожаротушение\! МЕХАНИКИ, РЕМОНТА И ДЕТАЛЕЙ МАШИН\Кропотова\ДОМ С ПЕЛЬТЕ 5.jpg

Рисунок 5 – Схематическое изображение расположения термоэлектрической генераторной установки

В результате всего вышесказанного, нами предлагается следующее проектное решение устройства автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека (рисунок 6).

Проектное решение устройства автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека
Рисунок 6. Проектное решение устройства автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека

Таким образом, не возникает дополнительных вопросов при освоении земель, удаленных от «цивилизации», если уже 21 век. Не придется протягивать отдельную линию электропередачи для обеспечения жизнедеятельности целого жилого дома.

Данный исследовательский проект нашел практическое применение эффекта Зеебека в создании устройства для автономного электроснабжения на примере жилого здания. Предлагаемое техническое решение устройства автономного электроснабжения на основе эффекта Зеебека позволяет выработать требуемую электрическую энергию без дополнительных затрат, система устройства дешевая, не требует затрат энергии и других видов топлива, проста, доступна, эффективна.

Список литературы

  1. Шостаковский, П. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания. / П. Шостаковский. // Новые технологии. - 2010. № 12. - С. 131-138.
  2. Кропотова Н.А. Аналитический обзор аналогов автономного электроснабжения. // NovaInfo.Ru, 2017. - №58, - Т. 4. – С. 88-93.Баукин, В.Е. 3. Оптимизация параметров термоэлектрических генераторов большой мощности / В.Е. Баукин, А.П. Вялов, И.А. Гершберг, Г.К. Муранов и др. // Термоэлектрики и их применение. Доклады VIII Межгосударственного семинара (ноябрь 2002 г.). СПб: ФТИ, 2002.
  3. Тахистов, Ф.Ю. Оптимизация параметров термоэлектрического генераторного модуля с учетом эффективности теплообмена на сторонах модуля. // Доклады XI Межгосударственного семинара (ноябрь 2008 г.). СПб: ФТИ, 2008.
  4. Пучков П.В. Магнитожидкостное уплотнение подшипника качения. / П.В. Пучков, А.В. Топоров, Н.А. Кропотова, И.А. Легкова. // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука и образование в социокультурном пространстве современного общества». В 3-х частях. - Смоленск. 2016. С. 33-35.
  5. Разумов А.А. Оценка потребления количества теплоты в бакелизаторах при изготовлении абразивных изделий на бакелитовой связке. Технологические приемы экономии энергии при термообработке. / А.А. Разумов, Н.А. Кропотова. // Сборник статей по материалам III всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы». ИВИ ГПС МЧС России. – Иваново, 2012. С. 312-314.
  6. Киселев В.В. К вопросу защиты металлоконструкций от теплового потока при пожаре. / В.В. Киселев, Н.А. Кропотова, А.А. Покровский, А.Н. Мальцев, И.А. Легкова. // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука 21 века: открытия, инновации, технологии». 2016. С. 75-76.
  7. Крылов Е.Н. Расчет селективности при нитровании алкилбензолов в трифторуксусной кислоте. / Е.Н. Крылов, Н.А. Жирова. //
  8. Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - Иваново, 2007. Т. 50. № 1. С. 10-15.