XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Часто приходится снабжать удаленные объекты дорогой электроэнергией в виде дизельных и бензиновых генераторов, что достаточно затратно, поэтому возникает вопрос экономии, и возможные пути решения данного осложнения. Объектом исследования для решения этой проблемы был взят альтернативный источник генерация электроэнергии с помощью термоэлектрического преобразователя на основе элемента Пельтье (ЭП). Принцип действия, которого базируется на возникновении разности температур при протекании электрического тока.В основе работы ЭП (рис. 1) лежит контакт двух полупроводниковых 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. По мере поглощения этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. А во время протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта, дополнительно к обычному тепловому эффекту. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.

Рис. 1 Строение элемента Пельтье

Достоинствами элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие шума, каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При смене направления тока возможно, как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже установленного порога.

Недостатком ЭП является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур.

Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.

В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы ЭП и продлит срок его службы.

Т.к. работа элемента Пельтье основывается на разности температур, то одним из перспективных мест для применения будут являться регионы с холодным климатом. На данных местностях для комфортной жизнедеятельности человека, как правило, имеется система отопления помещений, а, следовательно, создается необходимая разность температур. Снаружи температура может опускаться ниже 20 градусов по Цельсию, но в помещение она должна оставаться комфортной для человека. Из этого положения можно извлечь выгоду, поместив на стыке разности температур элементы Пельтье. За счет этого можно значительно снизить энергозатраты в холодное время года, получая и при необходимости запасая электроэнергию.

Но элемент Пельтье не обязательно использовать в зонах с холодным климатом, его так же можно применить в областях с гидротермальными источниками, где стык температур будет появляться от горячей воды с одной стороны и охлаждающим радиатором, с другой стороны (рис.2). За счет этой разницы можно получить неплохой запас мощности, которую можно использовать, например, для питания оборудования, эксплуатируемого для изучения этих самых источников

Рис.2 Применения элемента Пельтье в геотермической зоне

Другим местом установки автономного генератора на основе элемента Пельтье, могут быть регионы с теплым или жарким климатом, где одна сторона будет повернута к источнику тепла, например, к Солнцу, а вторая помещена в землю, с естественным или принудительным охлаждением (рис.3). Одним из примеров такого расположение может являться погреб. Также эти элементы очень удобны во время походов, так как за их счет можно зарядить смартфон на энергии костра или запитать фонарик с помощью тепла организма.

Рис.3 Элемент Пельтье в погребе

Из выше перечисленных аргументов возникает вопрос внедрения автономных генераторов электрической энергии на основе элемента Пельтье точечно в выгодные области применения. Но на данный момент их производство не сильно развито из-за нехватки большого количества потребителей, и поэтому ЭП имеют большую стоимость. Средняя цена за 1 ячейку, стандартного размера 40x40 мм, составляет 80 рублей. Но как только данным генератором заинтересуется мировое сообщество, а именно выгодоприобретатели в качестве инвесторов, их производство начнет развиваться, а цена уменьшаться, и в дальнейшем появиться разнообразные размеры ячеек.

На сегодняшний день реализуемо и выгодно использовать данный элемент в качестве компактных и переносных генераторов малой мощности. Рассмотрим мобильные устройства на основе элементов Пельтье. А именно переносное зарядное устройство для телефона и других мобильных устройств. Чем больше будет перепад температур между телом человека и окружающей средой, тем выше будет эффективность ЭП и тем меньше понадобиться элементов-ячеек, но для максимально КПД необходим перепад температур в 100 градусов по Цельсию, а один стандартный элемент-ячейка при таких условиях вырабатывает 5 В и 2 Вт мощности на холостом ходе, но при нагрузке мощность и напряжение сокращаются вдвое, из-за низкого коэффициента полезного действия. Т.к. элементы Пельтье довольно компактные их можно встроить в неподвижные области штанов, куртки и обуви. В итоге одна сторона будет нагреваться от тепла, вырабатываемым человеком, другая охлаждаться от окружающей среды. А для зарядки смартфона необходимо не менее 12 В, т.е. около шести элементов Пельтье. Средняя цена на элемент Пельтье составляет 100 рублей, итоговая стоимость составит 600 рублей, это дешевле обычных переносных зарядных устройств, которые ещё нужно зарядить перед использованием.

Следующим примером, который несложно реализуем, является установка для источника энергии в походе, как зимой, так и летом, от которой можно заряжать различные маломощные потребители, такие как телефоны, фонарики, холодильники на элементе Пельтье, а также запасать электроэнергию в аккумуляторы. Если вырабатывать энергию летом, то эффективным временным промежутком является ночное время суток, т.к. температура опускается до 10-15 градусов, от этого будет питаться сторона с меньшей температурой, а другая нагреваться от костра, который необходим для обогрева экспедиции. Другой, и более эффективный вариант, это использование данного генератора в зимний период, т.к. возможная разница температур будет существенно больше. Одна часть будет соприкасаться с костром, другая с емкостью для снега, к которой прикрепляются радиаторы с вентиляторами. Чтобы выработать мощность в 24 Вт, потребуется около 12 ЭП, кулер на 5,4 Вт, 2 алюминиевых радиатора, термопаста, умножитель напряжения, если потребуется запитать потребители с большим напряжением напряжению, и сама печка из нержавеющей стали. Экономически расчет показывает выгодность данного походного устройства, 12 элементов Пельтье за 1200 рублей (при оптовой закупке будет дешевле), кулер – 800 рублей, термопаста 600 рублей, 2 алюминиевых радиатора по 300 рублей, а для умножителя напряжения потребуется 4 диода и 4 конденсатора общей стоимостью 300 рублей. Итого 3500 рублей за походный автономный источник электроэнергии на элементах Пельтье. (рис.5). Он не занимает много места, поэтому очень удобен в походах и экспедициях. Если одного генератора будет недостаточно, есть два пути решения: - добавить ещё один генератор; - улучшить схему умножителя напряжения посредством добавления диодов и конденсаторов.

Рис. 4 Переносной генератор Пельтье

Но одним из самых эффективных и логических способов использования ЭП, является внедрение его в удаленные метеостанции, которые расположены по всему земному шару. Будь это холодный климат, где данный генератор будет намного эффективнее, либо же в областях, где температура окружающей среды не опускается ниже 15 градусов по Цельсию. Один из примеров такого использования будут являться метеостанции и другие объекты, находящиеся в Арктической зоне. Т.к. в наши дни значение Арктики многократно возрастает. Она становится местом самого пристального внимания стран и народов в качестве региона, от самочувствия которого во многом зависит климат планеты, и в качестве сокровищницы уникальной природы, и, как территория с колоссальными экономическими возможностями, с огромным экономическим потенциалом.

Экономическая часть

Объектом исследования была выбрана метеостанция в Арктической зоне.

Для наблюдения за изменениями климата исследователю (человеку) необходимо жильё с комфортными условиями жизни, а именно: отопление и электричество. Необходимая мощность 12 кВт, включающая в себя:

Лампы – 100 Вт

Персональные компьютеры для обработки данных, полученных в результате наблюдения - 800Вт

Холодильник 200 Вт

Прожектор для ночного освещения - 300 Вт

Микроволновая печь СВЧ - 1500 Вт

Обогреватель - 1500 Вт

Электрочайник - 1500 Вт

Стиральная машина - 3000 Вт

Электроплита (2 конфорки) - 4000 Вт

Для обеспечения энергией понадобится бензиновые генератор Robin-Subaru (Россия) EB 12.0/230-SLE. Его цена составляет 213 тысяч рублей.

Его характеристики.

Производитель: Robin-Subaru (Россия);

Мощность: 12 кВт\12кВА;

Напряжение: 230 В;

Коэффициент мощности: 1 (сos φ);

Коэффициент фаз: 1;

Частота: 50 Гц;

Запуск: электростарт;

Вид топлива: бензин;

Расход топлива при нагрузке 75%: 3,8 литра;

Ёмкость топливного бака: 26 литров;

Исполнение: открытое;

Уровень шума: 74 Дб;

Преимущества генератора Robin-Subaru:

Малые размеры;

Низкая цепа (в сравнении с другими генераторами мощностью 12 кВт).

Расход генератора в час будет составлять 169,1 рубль (при нынешней цене на бензин 44,50 р за литр). Учитывая, что генератор расходует полный бак за день, можно сделать вывод , что затраты на день составят 1157 рублей.

При установке элементов Пельтье на такую же мощность, нам понадобится 6000 штук, которые будут стоить около 550000 рублей (цена указана при поштучной покупке, оптом будет дешевле). Элементы Пельтье не требуют дополнительных расходов для производства энергии, они экологичны и бесшумны. Период самоокупаемости начнётся меньше чем через год, т.к. заправлять генератор необходимо каждый день, в течении года необходимо затратить 420 тысяч, это без учёта цены на доставку бензина. И в итоге за год с генератором расход составит 633 тысячи, при элементах Пельтье 650 тысяч.

Сложностью электроснабжения объектов в Арктической зоне является отсутствие традиционных источников электрической энергии, поэтому на данный момент их замещают с помощью мобильных генераторов и электростанций, побочным эффектом которых является дорогая стоимость электроэнергии.

Рис.5 Установка ЭП в зонах Арктики и Крайнего Севера

Этот недостаток можно значительно уменьшить за счет внедрения автономных генераторов Пельтье, которые будут устанавливаться на стыке температур, в данном случае это будут стены сооружений, снаружи которых будет значительно ниже 0 градусов по Цельсию, а внутри значительно выше 0. А полученную электроэнергию для стабилизации запасать в аккумуляторные батареи (рис.4).

Таким образом, на данный момент использование элемента Пельтье экономически целесообразно только в условиях, где можно получить большой перепад температур, не приводя к дополнительным расходам. В таких зонах как Арктики, Антарктики и регионы Крайнего Севера. Либо в качестве мобильного маломощного электрогенератора, когда нужно получить электрическую энергию, не затратив на это больших ресурсов, и не имея громоздких конструкций.

Список литературы:

Арктика и Антарктика. Вып. 3 (37) / РАН, Науч. совет по изучению Арктики и Антарктики : отв. ред. В. М. Котляков. — М. : Наука, 2004. — 247 с.

Физика твердого тела Учеб. пос. / А. А. Василевский – М.: Дрофа, 2010. – 206 с.

Теория твердого тела / О.Г. Медалунг. – М.: Наука, 1980. – 418 с.

Код для цитирования: Скопировать