М.О.А.У. Гимназия №8
Зыков Кристиан
Гапеев Никита
Симонов Максим
Г. Сочи
Проектная работа на тему
«Современная энергетика».
Выработка электроэнергии за счет разницы температур.
Сочи
2017г.
Вступление
На сегодняшний день мы не можем представить нашу жизнь без электричества. Практически все приборы работают от питания электроэнергией, в том числе и те, которые её вырабатывают.
Существует множество типов электростанций – ТЭС, ГЭС, АЭС, БЭС, ПЭС и других источников, из которых мы научились получать необходимую нам электроэнергию. На территории России на данный момент действуют около 600 электростанций общей мощностью 220000 МВт.
Выработку электроэнергии по видам электростанций в России можно разделить на пять категорий:
1. Тепловые ЭС– 58,6%
2. Гидро ЭС – 17,4%
3. Атомные ЭС – около 18,3%
4. Возобновляемые источники энергии - 0,06%
5. ЭС промышленных предприятий – 5,6%
Как видите, основа добычи электроэнергии в России – тепловые электростанции. В работе ТЭС используется энергия природного топлива. Она выделяется при сжигании угля, природного газа, мазута и т.д.
Так как мы живём в непростое для всего мира в экологическом отношении время, очень важно, чтобы добыча энергии не представляла угрозы окружающей среде. Поэтому очень актуален вопрос о добыче «чистой» электроэнергии.
Если же говорить о будущем ТЭС, то вскоре запасов нефти, газа и угля станет настолько мало, что их будет недостаточно для использования в качестве основных источников электроэнергии. Придется искать новое топливо, или же переходить на альтернативные источники энергии.
Одним из первых «чистых» и возобновляемых источников была ветровая энергия. Чуть позже в мир вошла выработка энергии за счет энергии Солнца, а за ней и многие другие способы добычи электроэнергии.
Интерес к вопросу о добыче такой экологически чистой, легкодоступной и возобновляемой энергии значительно растёт с каждым днём. Многие умы трудятся над тем, чтобы её получение стало более выгодным. К примеру, Южная Америка уже сейчас использует энергию Солнца на полную мощь.
Вот вам вырезка из новостей:
Жители Чили перестали платить за электроэнергию из-за ее переизбытка!
В стране более трех месяцев цены на электроэнергию удерживаются на нулевой отметке
В Чили электроэнергия стала бесплатной. Фото: popmech.ru
В Чили из-за переизбытка производимой электроэнергии цены снизились до нуля и теперь жителям страны не нужно платить за электричество, сообщает Bloomberg.
Сообщается, что жители страны уже 116 дней не платят за электричество после того, как цены за свет упала до нуля. Это объясняется излишком производимой электроэнергии, количество которой превышает потребление.
Отмечается, что в прошлом году цены на электроэнергию держались на нулевой отметке 192 дня.
После производственного бума в Чили различные компании построили 29 солнечных ферм, и еще 15 запланировано.
Ошеломительный результат, не правда ли? Мы задумались над тем, какими альтернативными способами добычи «чистой» электроэнергии можно пользоваться у нас в России. Изучив достаточно большое количество материала, мы пришли к выводу, что интересным и малоизученным способом является добыча энергии за счет разницы температур.
Мы решили попробовать создать свой собственный генератор для выработки электроэнергии.
Но из чего делать генератор? За счет чего он будет работать? Как добыть как можно больше энергии?
В поисках ответов на все эти вопросы мы наткнулись на один очень интересный радиоэлемент. Это элемент Пельтье.
Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. T hermo e lectric C ooler — термоэлектрический охладитель).
Wikipedia.
Ну, а если объяснять простым языком, то при прохождении через этот элемент постоянного электрического тока, одна его сторона нагревается, а другая охлаждается.
Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.
Элемент Пельтье представляет собой совокупность термопар, соединенных последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин.
В наше время элементы Пельтье активно применяются в холодильниках, кондиционерах, автомобильных охладителях, кулерах для воды, видеокартах ПК. В основном для охлаждения чего-либо. В момент охлаждения одной стороны на другой стороне выделяется большое количество тепла. Его отводят с помощью радиаторов и систем охлаждения. Если этого не делать, то через некоторое время элемент нагреется и охлаждение прекратится.
Мы подумали, что раз можно получить тепло и холод, пустив ток через этот элемент, то наверняка с его помощью можно ток и выработать, если одну сторону нагревать, а другую в охлаждать.
И мы были правы…
Существует интересный эффект, обратный эффекту Пельтье, который называется эффектом Зеебека. Это явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Также эффект Зеебека иногда называют термоэлектрическим эффектом. На нём мы и будем строить свой генератор.
Немного теории:
Термоэлектричество - явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения контакта разнородных проводников проходящим током.
ТермоЭДС - электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют разную температуру (эффект Зеебека). Величина термоЭДС зависит только от температур горячего Т1 и холодного Т2 контактов и от материалов проводников.
А ТЕПЕРЬ ЗАЙМЕМСЯ СОЗДАНИЕМ ГЕНЕРАТОРА.
Принцип получения электроэнергии состоит в нагревании одной стороны модуля с одновременным охлаждением второй. Причем необходим интенсивный отвод тепла, поскольку существует перенос тепла внутри модуля, за счет которого снижается разность температур «горячей» и «холодной» сторон, а следовательно, и напряжение на выходе модуля.
Для того, чтобы вырабатывать энергию, мы приобрели несколько элементов Пельтье размером 40х40мм типа TEC-12706.
Попробуем нагреть сторону одного из них с помощью огня. И посмотрим, какое напряжение он выдаст.
Тепло от огня практически моментально нагревает элемент, и через несколько секунд напряжение поднимается до 0.95В. Продержавшись на этом значении около 10 секунд, напряжение начало стремительно падать и опустилось до нуля. Это произошло, потому что элемент полностью прогрелся, и разница температур двух сторон стала равна нулю.
Поэтому, для отвода тепла со стороны, которая не должна быть нагретой, мы ставим на элемент радиатор.
Нагреваем одну сторону и видим, что напряжение поднимается уже до 2В! Намного лучше, чем без отвода тепла с «холодной» стороны.
Через несколько таких опытов с огнём, элемент вышел из строя. Разбираем элемент (не очень аккуратно) для выяснения причины поломки и видим, что расплавился и поплыл припой. Как оказалось, максимально допустимая температура нагревания элемента – не больше температуры плавления припоя. Мы не знаем, какой припой используется при изготовлении этих элементов, но предположительно, это олово (Tплав. +232°C). Больше не будем рисковать, и не станем нагревать элементы открытым пламенем (от +300 до +1500°C)
Для того чтобы предотвратить контакт элемента с открытым пламенем и другими агрессивными средами, которые могут повредить конструкцию, задумаемся над созданием корпуса для генератора.
Конструкция очень проста. Соорудим что-то наподобие «бутерброда» из пластин и элементов. Для этого нам понадобится:
1. Алюминиевая пластина 10х10см
2. Чаша из листового железа D20см
3. Радиатор
4. Элементы Пельтье 4 шт.
5. Датчики температуры 2шт.
6. Термопаста
7. Винтики и гайки
8. Герметик
Должно получиться что-то типа такого:
Собираем генератор
Наносим термопасту на алюминиевую пластину и прикрепляем к ней радиатор с помощью четырех винтиков. Термопаста удалит воздух из микротрещин, тем самым улучшив теплообмен. На обратную сторону пластины наносим еще один слой термопасты и плотно располагаем не ней элементы Пельтье в форме квадрата 2х2. Устанавливаем рядом датчик температуры для дальнейших измерений.
Подключаем все элементы последовательно и отводим провода от них и датчиков температуры в заранее проделанное отверстие в алюминиевой пластине, заключаем все это в разъем от батарейки типа «Крона» и разъем Х. Провода должны выдерживать большой нагрев, поэтому родные заменяем проводами с фторопластовой изоляцией. Наносим слой термопасты на элементы Пельтье и накрываем их железной чашей, после чего соединяем алюминиевую пластину и чашу с помощью винтиков и прикрепляем к конструкции ножки для устойчивости. Генератор практически готов.
Для защиты модуля от попадания в него влаги используем теплоустойчивый герметик, выдерживающий большие температуры (до +1500°С). Наносим его аккуратным тонким слоем вокруг «начинки» и разъемов. Количество герметика должно быть минимальным, поскольку он увеличивает теплообмен между деталями конструкции.
Генератор готов!
Для того, чтобы снимать показания с датчиков температуры и узнать текущую силу тока и напряжение, воспользуемся микроконтроллером ARDUINO.
Пишем программу, составляем электрическую цепь и выводим все данные на дисплей. Нахождение микроконтроллера рядом с высокими температурами крайне нежелательно. Поэтому с помощью длинного теплоустойчивого кабеля с разъемом Х на конце мы отводим блок с микроконтроллером подальше от генератора. Для вывода показаний достаточно просто подключить блок к генератору. Если контролировать температуру, напряжение, силу тока и мощность не нужно, то просто отсоединяем кабель от генератора и работа генератора будет идти вслепую.
Начнем тестирования!
Применений собранному нами генератору может быть множество. Мы будем использовать его в качестве возобновляемого источника энергии в походе или экспедиции.
Устанавливаем наш генератор в емкость с водой радиатором вниз. Датчик температуры, установленный на «холодной стороне», выдает +22°C. Основным источником тепла в нашем генераторе будут тлеющие угольки. Кладем их в чашу, ждем, пока разница температур не составит хотя бы 30° С. Смотрим на показания мультиметра.
Удивительно! С четырех элементов Пельтье мы смогли получить напряжение в 4.8В и силу тока в 0,7А! И это при разнице температур всего в 30 градусов! Этого уже хватит, чтобы зарядить мобильный телефон или портативный аккумулятор. Что же будет при разнице в 100 или 200 градусов?!
Мы не будем останавливаться на достигнутом и пойдем дальше.
Устанавливаем в цепь повышающий преобразователь напряжения и проводим операцию с достижением нужной нам разницы температур. С ним мы достигли максимального напряжения в 16В!
Очень даже неплохой результат!
Получается, что при разнице температур в 30°С из четырех элементов мощность 3,4Вт а с повышающим преобразователем напряжения аж целых 11,2Вт!
Для использования генераторов, работающих на разнице температур, в промышленных в целях, нужна ежегодная постоянная температура воздуха или любой другой среды.
Как известно, в течение года климат практически не изменяется в зоне экватора и полюсов Земли. Поэтому установка промышленных генераторов будет более выгодна лишь на территориях этих климатических поясов. Дальше уже стоит вопрос с поиском двух, рядом находящихся сред с разницей температур, хотя бы в 20-30°С.
Территория России расположена за Северным полярным кругом и охватывает ледяную шапку Северного полюса Земли. Поэтому поиск сред для установки промышленного генератора будем производить именно в этих местах.
Мы долго не могли найти близлежащие среды с разной температурой. Вскоре мы поняли, что за Северным полярным кругом две идеальные среды – вода и воздух! Средняя температура воздуха зимой здесь -30°С, а температура воды всегда приближена к нулю! Создать генератора для такой местности предельно просто.
Элементы Пельтье, заключенные в корпус с радиаторами, расположенными с двух сторон. Одна сторона генератора опускается в воду, а другая остается на воздухе. Вот и вся конструкция. По краям достаточно поставить несколько поплавков, чтобы держать всюконструкцию на плаву. Постоянный источник энергии установлен.
Тепло от воды и минусовая температура воздуха спокойно создают стабильную разницу температур в 30°С, как минимум полгода!
Для достижения мощности в 1кВт при разнице температур в 30°С нам понадобится около 294 элементов Пельтье, которые мы использовали. Достаточно много. Но, если использовать инвертор-преобразователь 12/220V, для повышения напряжения, то можно сократить их число до 16! Сложив элементы в форме квадрата 4х4, получится генератор, размером не больше 20х20 см! Двух – трёх таких установок вполне хватит, чтобы обеспечить энергией небольшую комнату.
На данный момент за Полярным кругом живут около 2.5 млн. человек. Доставлять энергию в эти регионы достаточно проблематично, несмотря на то, что в этих местах расположены залежи нефти и газа. Средний житель России за полярным кругом потребляет около 100кВт в месяц. Что приблизительно 130Вт/ч. Чтобы обеспечить энергией научную станцию в 50 человек, потребуется производить около 6,5кВ/ч. Для того, что бы обеспечить людей необходимой мощностью потребуется установить плавучую электростанцию размером всего лишь 1,5х1,5 м!
Такими установками вполне можно вырабатывать энергию и обеспечивать ею население. Практически все северные прибрежные зоны РФ подходят под эти цели.
Дальнейшее использование природного топлива для выработки энергии, в конечном счете, может сильно нарушить экологию Земли. Миру стоит задуматься о полном переходе на возобновляемые и более безопасные для окружающего мира источники электроэнергии.
Конец
Зыков Кристиан