Термоэлектрический источник электроэнергии, основанный на
advertisement
Всероссийский конкурс «Радуга проектов» Проект: «Термоэлектрический источник электроэнергии, основанный на эффекте Зеебека» Автор: Девяшин Даниил Юрьевич, ученик 8 «В» класса муниципального автономного общеобразовательного учреждения «Гимназия» адрес учреждения: 624130 г. Новоуральск, Свердловской области ул. Юбилейная д. 7 e-mail:gimn47@rambler.ru телефон 8(34370)3-01-70 Научный руководитель: Ваганова Алла Витальевна, учитель физики МАОУ «Гимназия» г.Новоуральск, 2014 ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 3 ГЛАВА I. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО ............................................................. 5 1.1 Открытие и физическое обоснование термоэлектричества ............. 5 1.2 Термобатарея .............................................................................................. 8 1.3 Устройство термоэлектрогенератора .................................................... 9 1.4 Применение и преимущества ТЭГ ....................................................... 12 ГЛАВА II. СОЗДАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА ....................... 14 2.1 Целевые установки проектной работы ............................................... 14 2.2 Изготовление термопары ....................................................................... 14 2.3 Поиск инструментария и сборка ТЭГ ................................................ 17 2.4 Полевые испытания ТЭГ ....................................................................... 18 2.5 Выводы по практической части работы ............................................. 20 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 21 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................ 22 ВВЕДЕНИЕ Мобильные устройства давно и прочно вошли в нашу жизнь. Довольно сложно представить современного человека, который не знает что такое мобильные телефоны или планшетные компьютеры. Эти и многие другие устройства каждый из нас активно использует для работы и развлечений. Основные критерии, которые предъявляются к мобильным устройствам современными пользователями – надёжность, практичность и функциональность. Но не менее важной характеристикой мобильного устройства является и его компактность – возможность транспортировать устройство, поместив его в карман или сумочку. Поэтому количество пользователей, использующих вне дома портативную электронику, к которой относятся цифровые видеокамеры, музыкальные плееры, мобильные телефоны, GPS-навигаторы, постоянно увеличивается. Большинство из этих устройств питаются от внутренних перезаряжаемых аккумуляторов. Количество энергии, которое аккумулятор способен удерживать (ёмкость), постепенно уменьшается в процессе эксплуатации. Мобильные устройства перестают работать в случае разрядки аккумулятора. К сожалению, розетка не всегда может оказаться в прямом доступе, а если мыслить масштабнее – над человечеством уже давно висит угроза глобального энергетического кризиса, поэтому такая мелочь, как зарядка аккумулятора мобильного устройства, может оказаться весьма большой трудностью. Поэтому проблема сохранения заряда аккумулятора мобильных и портативных устройств является одной из наиболее острых для большинства пользователей, а разработка новых способов получения энергии для мобильных устройств, становится задачей серьёзных учёных. [4] Я сам не раз сталкивался с подобного рода проблемой, когда из-за разряженной батареи сотового телефона я не мог позвонить домой. В связи с этим у меня появилась гипотеза: если нельзя зарядить мобильное устройство в походе от электрической сети, то можно использовать для этой цели альтернативные источники энергии. Из информации, размещённой на сайтах интернета, я узнал о возможности подзарядить мобильное устройство с помощью ветряного микрогенератора, солнечной батареи, ручной динамозарядки, зарядного устройства с турбиной, велосипедной зарядки, от энергии ног, с помощью дыхания и даже мочи! Но все эти способы показались мне неэффективными для походных условий. Найти решение этой проблемы мне помогла старая книжка автора Глеба Анфилова «Что такое полупроводник». В книге описывается, как в годы Великой Отечественной войны у нас был создан «партизанский котелок» - прадедушка современных термоэлектрогенераторов. Энергии, которую он вырабатывал, было достаточно для маленькой армейской радиостанции «Север». Я решил, что создание подобного термоэлектрогенератора в наши дни может также служить альтернативным источником энергии для подзарядки мобильных устройств. Объект исследования: термоэлектричество как физическое явление. Предмет исследования: термоэлектрический генератор. Цель исследования: создать автономный источник электрической энергии. Для достижения этой цели я поставил перед собой следующие задачи: 1. Изучить информацию по термоэлектричеству. 2. Создать термоэлектрогенератор и проверить его работоспособность. 3. Продемонстрировать готовый продукт членам туристического клуба «Кедр» города Новоуральска и оценить его практическое значение. 4. Сделать вывод о верности гипотезы. Для достижения цели мною были использованы следующие методы: - анализ литературы по основным понятиям термоэлектричества; - поиск инструментария и создание термоэлектрогенератора; -полевые исследования готового продукта и статистические методы обработки информации; - интервьюирование членов турклуба города Новоуральска ГЛАВА I. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО Термоэлектричество – преобразование тепла в электричество с помощью термоэлектрогенератора. 1.1 Открытие и физическое обоснование термоэлектричества Первым возможность такого процесса обнаружил немецкий физик Томас Иоганн Зеебек. 14 декабря 1820 года на заседании Берлинской академии наук академик Томас Иоганн Зеебек впервые доложил о наблюдении им отклонения магнитной стрелки компаса вблизи замкнутой цепи из двух разнородных металлов, один спай которого нагревался (рисунок 1). Рис.1. Открытие термоэлектричества. Томас Зеебек назвал этот эффект «термомагнетизмом». Позже, в 1822 году, в докладах Прусской академии наук был опубликован научный труд Томаса Зеебека «К вопросу о магнитной поляризации некоторых материалов и руд, возникающей в условиях разности температур». В своих опытах Томас Зеебек использовал контакт двух различных материалов (конструктивно выполненных в виде проволоки, пластин или стержней) из различных материалов, в частности из меди, висмута и сурьмы. Так в далёком 1820 году было открыто термоэлектричество. Суть явления, которое вошло впоследствии в физику под термином «эффект Зеебека», состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещённая вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как и в присутствии магнитного материала. В результате Зеебек наблюдал возникновение магнитного поля, которое фиксировалось по отклонению магнитной стрелки. Угол и направление поворота магнитной стрелки зависели от значения разности температур на спаях цепи и сочетания материалов, из которых была составлена цепь. [3] Объясняется это явление тем, что в нагретом конце электронного полупроводника появляются освобождённые нагреванием электроны. Они начинают сталкиваться между собой, разлетаться в разные стороны. И при этом многие перекочуют в холодный конец – туда, где свободнее, меньше «толкотни». Но электроны – отрицательно заряженные частички. Стало быть, как только в холодном конце появится их избыток, там возникает отрицательный электрический заряд. В горячем конце дырочного полупроводника возникают дырки. Они также перемещаются в холодный конец. Так как дырка ведёт себя подобно частице, наделённой положительным электрическим зарядом, то холодный конец приобретает положительный заряд (рисунок 2). Дырочный полупроводник Электронный полупроводник Рис.2. Преобразование тепла в электрическую энергию. Эти заряды тем больше, чем значительнее разность температур горячего и холодного концов обоих полупроводников. Итак, на холодных концах термопары появились разноимённые электрические заряды. Стоит замкнуть термопару, и по ней потечёт электрический ток. Тепло превращено в электроэнергию. [2] Процесс заряжения тела означает всегда разделение зарядов, то есть создание на одном теле избытка зарядов одного знака, а на другом теле – другого знака для чего приходится преодолевать силы притяжения друг к другу положительных и отрицательных зарядов, то есть затрачивать работу (А). Отношение работы по перемещению заряда к величине этого заряда (q) 𝐴 называется напряжением (разностью потенциалов) (U). U= (В). Но для 𝑞 получения тока необходимо не только создать и поддерживать напряжение (разность потенциалов) между двумя какими-либо точками, но и создать проводящую цепь, по которой происходит перенос зарядов между этими точками. Для поддержания непрерывного тока необходимо, чтобы в этой цепи работало какое-то устройство, в котором всё время происходят процессы, осуществляющие разделение электрических зарядов и тем самым поддерживающие напряжение в цепи. Это устройство называют источником, или генератором, электрического тока, а действующие в нём причины, обуславливающие разделение зарядов, получили название электродвижущих сил (э.д.с.). В цепи, составленной из различных металлов, места спаев которых находятся при неодинаковых температурах, действует э. д. с., называемая термоэлектродвижущей силой (термо-э.д.с.). Достаточно поместить один из спаев, а, в горячую воду или даже просто зажать его в пальцах, оставив второй при комнатной температуре, чтобы возник ток в цепи (рисунок 3). Рис.3. Цепь, состоящая из железного и двух медных проводов и гальванометра а и b – спаи. Если оба спая поместить в воду одной и той же температуры, то температура спаев сравняется, и ток прекратится. Если теперь, оставляя спай b в горячей воде, вынуть спай а и охладить его, то в цепи опять появится ток, идущий в обратном направлении. Точно так же термоэлектрический ток возникает в том случае, если один из спаев находится при комнатной температуре, а другой при более низкой, например, в твёрдой углекислоте («сухой лёд»). Таким образом, непосредственная причина возникновения термо-э.д.с. есть разность температур обоих спаев. При этом температура тех участков цепи, которые состоят из однородного по составу материала, не играет практически никакой роли. Если температура обоих спев одинакова, то и полная э.д.с. в цепи равна нулю, независимо от того, находятся ли оба спая при очень высокой температуре или при очень низкой. Электродвижущая сила термоэлементов невелика и приблизительно равна разности температур спаев. В приведённой ниже таблице даны термоэлектродвижущие силы в вольтах для некоторых пар металлов, при разности температур спаев в 100°C (таблица 1). Знак + обозначает, что ток идёт через нагретый спай от первого металла ко второму. Таблица 1 Термоэлектродвижущие силы некоторых пар (в вольтах на 100°C) Металлы Термоэлектродвижущие силы (В) Сурьма-висмут -0,011 Медь-железо +0,0010 Медь-константан -0,0047 Серебро-константан -0,0041 Серебро-никель -0,0024 Платина(90%)-платинородий(10%) -0,0010 Для поддержания разности температур в цепи, по которой идёт ток, необходимо к ней подводить тепло, и за счёт этого тепла и совершается работа в термоэлектрической цепи. Таким образом, термоэлемент представляет собой тепловую машину, преобразующую тепловую энергию в энергию электрического тока. Горячий спай играет роль, аналогичную котлу или нагревателю паровой машины, а холодный играет роль охладителя. Если к горячему спаю, находящемуся при абсолютной температуре Т1, мы подводим количество теплоты Q1, то часть этого запаса тепла Q2 перейдёт к холодному спаю, находящемуся при абсолютной температуре Т2, а разность Q1-Q2 преобразуется в энергию тока. Коэффициент полезного действия термоэлемента, то есть доля подводимого тепла, преобразуемая в электрическую 𝑄1−𝑄2 форму энергии, есть k= . 𝑄1 Изготавливая термоэлемент из полупроводников можно в десятки раз увеличить э.д.с. и увеличить коэффициент полезного действия, а значит, и создать достаточно экономичные технические тепловые генераторы тока. Соединяя последовательно нужное количество таких термоэлементов, можно получить батарею с достаточно высокой э.д.с. [1] 1.2 Термобатарея Как уже было сказано, величина термо-э.д.с., развивающаяся в отдельном термоэлементе, очень мала. Поэтому для получения более значительных э.д.с. отдельные термоэлементы часто соединяют в термобатареи (термоэлектрические модули). Схема устройства термобатареи изображена на рисунке 4. Рис.4. Схема термобатареи. Стержни или проволоки из двух различных металлов заштрихованы различно. Все спаи (а) поддерживаются при одной температуре, а все спаи (b) – при другой. Отдельные термоэлементы оказываются соединены последовательно, и поэтому э.д.с. батареи из n элементов в n раз больше, чем у одного термоэлемента [1]. В России с 1992 года налажено промышленное производство термоэлектрических модулей (ТЭМ). Санкт-Петербургская компания “Криотерм” в настоящее время выпускает более 250 типов ТЭМ, которые благодаря своим техническим характеристикам и высокой надёжности полностью соответствуют мировым стандартам. Единичным элементом 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. ТЭМ представляет собой совокупность термопар, электрически соединённых, как правило, последовательно. В стандартном элементе термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия количество термопар может изменяться в широких пределах – от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой мощности (рисунок 5) [5]. Рис.5. Термоэлектрический модуль в разрезе. 1.3 Устройство термоэлектрогенератора Термоэлектрогенератор – это техническое устройство (электрический генератор), предназначенное для прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством использования в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов) (рисунок 6). Рис.6. Термоэлектрогенератор на керосиновой лампе. Термоэлементом (термопарой) называют всякую комбинацию разнородных проводников, образующую замкнутую цепь. Для термоэлектрогенераторов используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество (рисунок 7) [2]. Рис.7. Простейшая полупроводниковая термопара. Полупроводник – это материал, который занимает промежуточное место между проводниками (веществами, отлично пропускающими электрический ток) и изоляторами (веществами, почти совсем не пропускающими электрический ток). Многие кристаллы, сплавы, всевозможные соли, окислы являются полупроводниками. Окружающий нас мир богат подобными веществами. Их можно извлекать из простого песка, сажи, камня. Пожалуй, можно сказать, что мы каждый день едим полупроводники за завтраком, обедом и ужином, топчем их своими ногами. Ведь самый распространённый в земной коре элемент кремний и основа жизни углерод образуют полупроводниковые кристаллы. С давних времён человек старался освоить всё, чем одарила его природа. Сырьё, содержащее полупроводники, он применял в металлургии, в химии, в строительном деле – всюду, кроме электротехники. Здесь полупроводники считались непригодными и на протяжении многих десятилетий никто не желал разобраться поглубже в электрических особенностях полупроводников. Но время показало, что такое пренебрежение было большой ошибкой. В дальнейшем исследователи постигли огромное практическое значение этих веществ. Немалая роль среди них принадлежит советским физикам во главе с Героем Социалистического Труда академиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе. [2] Именно ими в 30-е годы прошлого века была заложена основа развития современной термоэлектрической энергетики. Полупроводниковые материалы по структуре делятся на кристаллические, твёрдые, аморфные и жидкие (таблица 2). Таблица 2 Виды полупроводниковых материалов Жидкие Аморфные Твёрдые Кристаллические Полупроводниковые материалы Одним из важнейших свойств полупроводников для термоэлектрогенератора является их электропроводность. Электрическая проводимость (электропроводность, проводимость) — способность тела проводить электрический ток. Электропроводность полупроводника определяют электронный и дырочный токи, возникающие в полупроводнике одновременно. Электронный ток в полупроводнике обусловлен движением свободных отрицательно заряженных электронов, которые слабо связаны с ядрами «своих» атомов и легко отрываются с внешней электронной оболочки (рисунок 8). Это – электронная проводимость (n-проводимость: «negative» - отрицательный). Рис.8. Возникновение электронного тока в полупроводнике. В полупроводнике мало свободных электронов, поэтому он – плохой проводник. Место, откуда оторвался электрон, называют «дыркой». Дырку немедленно занимает электрон от соседнего атома. Так электроны, не освободившиеся совсем, перескакивают с атома на атом, перемещаясь туда, куда их влечёт электрическое поле. А нарушенная связь между атомами (дырка) тем временем перемещается назад. Вместе с дыркой передаётся положительный заряд. Это – дырочная проводимость (p-проводимость: «positive» положительный) (рисунок 9). Рис.9. Возникновение дырочного тока в полупроводнике. Таким образом, в полупроводнике, кроме отрицательно заряженных частичек – свободных электронов, - носителями тока служат и положительно заряженные дырки. Они вместе определяют электропроводность полупроводника. Однако, свободные электроны несколько подвижнее дырок. Поэтому электронный ток здесь преобладает – он немного сильнее дырочного (рисунок 10). [2] Рис.10. Электронный и дырочный токи в полупроводнике. Однако такая электропроводность характерна только для чистых полупроводников. Под действием тепла, света, примесей нарушаются связи между атомами, всё больше электронов обретают свободу, а заодно и способность переносить электрический ток. Введение даже самых ничтожных доз примесей могут резко изменить электрические свойства полупроводника. Электропроводность повышается в десятки, сотни, тысячи, даже в сотни тысяч раз! Полупроводники с преобладающей электронной или дырочной проводимостью называют соответственно n-полупроводниками и pполупроводниками. Вводя в очищенный полупроводник те или иные примеси в определённых количествах, человек может сознательно управлять электрическими свойствами подобных материалов. [2] С появлением полупроводниковых материалов и технологий учёные вспомнили о возможности превращать тепло в электричество. 1.4 Применение и преимущества ТЭГ Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. ТЭГ используются для энергоснабжения объектов, удалённых от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии. ТЭГ незаменим для энергообеспечения космических аппаратов, питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем, а также для обеспечения автономным питанием маломощных электронных устройств. С помощью ТЭГ возможно преобразование в электрическую энергию тепла природных источников (например, геотермальных вод), тепла отводимых от автомобильных, корабельных и других двигателей. Всюду, где есть тепло, ТЭГ легко превратит значительную его долю в самый удобный вид энергии – электрическую. ТЭГ обладают такими уникальными качествами как полная автономность, высокая надёжность, простота эксплуатации, бесшумность, долговечность и экологическая чистота. До настоящего времени существенным ограничением преимуществ термоэлектрического преобразования остаётся относительно низкий коэффициент эффективности преобразования теплового потока в электрическую – от 3 до 8%. Однако в ситуации, когда для относительно небольших нагрузок невозможно или экономически нецелесообразно подвести обычные линии электропередачи, ТЭГ становится незаменимым. [3] Итак, анализ работы с первоисточниками позволил сделать следующие выводы: 1. Открытие Томасом Зеебеком термоэлектричества в 1820 году позволило преобразовать тепловую энергию в электрическую. 2. Термоэлектричество возникает при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находятся при разных температурах. 3. Для увеличения КПД термоэлементы необходимо изготавливать из полупроводников, обладающих наилучшей электропроводностью. 4. Термо-э.д.с. батареи из n-элементов в n раз больше, чем у одного термоэлемента. 5. Чем значительнее разность температур горячего и холодного концов обоих полупроводников, тем больше термоэлектрический ток. 6. Для поддержания непрерывного тока необходимо наличие генератора. ГЛАВА II. СОЗДАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА 2.1 Целевые установки проектной работы На основе материала, изложенного в теоретической части работы, я решил создать ТЭГ для зарядки мобильных устройств (сотового телефона) и работы портативных устройств (светодиодного фонарика и радио) в походных условиях. Дальнейший план работы: 1. Изготовить термопары из проводников и полупроводников. 2. Измерить и сравнить напряжение, которое можно получить с помощью изготовленных термопар. 3. Найти необходимый инструментарий для создания термоэлектрического генератора. 4. Изготовить термоэлектрический генератор. 5. Провести полевые исследования готового продукта. 6. Изучить мнение членов туристического клуба «Кедр» о необходимости термоэлектрогенератора в походах. 2.2 Изготовление термопары На первом этапе работы для изготовления термопары, которая являлась бы составной частью ТЭГ, были взяты медные и железные проволоки длиной 30 сантиметров и диаметром 1 мм. Проволоки были сварены твёрдым припоем L-Ag 2P 94936 с помощью газовой горелки ROTHENBERGER. Далее спай был нагрет в верхней части пламени лабораторной спиртовки при температуре около 900°С, в то время как другие концы находились при комнатной температуре 23°С. Цифровым мультиметром серии MD 838 P (погрешность прибора ± 2%) было зафиксировано напряжение, полученное таким образом. Оно равнялось 0,002В (фотография 1). Фотография 1. Замер напряжения на термопаре из меди и железа. Так как для работы светодиодного фонарика необходимо 2,5В, для радио – 3В, а для зарядки телефона 5В, соответственно мне потребовалось бы 1250 термопар для фонарика, 1500 – для радио и 2500 для телефона. Из проделанного опыта я сделал вывод, что используя железную и медную проволоки можно изготовить термопару и получить напряжение. Но, несмотря на то, что медь и железо являются проводниками, их электропроводность недостаточна для изготовления генератора – КПД низкий, спай плавится при высоких температурах (температура плавления припоя 645-825°С), готовый продукт получится очень громоздким и не пригодным для использования в походных условиях. Следующая термопара изготавливалась из двух разнородных полупроводников хромеля и алюмеля длиной 15см, диаметром 0,5мм, которые можно приобрести в НПП «Сатурн» города Екатеринбурга по цене 2050 рублей за килограмм. Хромель содержит в своём составе следующие элементы: 8,7-10% хрома, 89-91% никеля, а также примеси, как кремний, марганец, медь и кобальт. Алюмель состоит на 93-96% из никеля, на 1,8-2,5% из алюминия, на 1,8-2,2% из марганца, на 0,8-1,2% из кремния, 0,5% составляет кобальт. Термопара хромель алюмель (ТХА) относится к наиболее распространённым в промышленности измерительным элементам. К основным преимуществам ТХА относят универсальность, доступность, надёжность, точность измерения, простоту конструкции и стабильность работы при измерении высоких температур. Погрешность измерения при использовании термопары составляет 0,1°С до 300°С и 1°С при более высоких температурах. [6] Для изготовления термопары из хромеля и алюмеля пришлось использовать аргоновую сварку. Для этого мне пришлось обратиться за помощью к сварщику ООО «Экоальянс» г. Новоуральска Голикову Эдуарду Борисовичу. Аналогично описанному выше способу были сделаны замеры напряжения с полученной хромель-алюмелевой термопары, что соответствовало 0,04В, а это в 20 раз больше, чем у термопары из проводников (фотография 2). Фотография 2. Замер напряжения на хромель-алюмелевой термопаре. Далее количество термопар увеличили до 19, соединяя их последовательно, после каждого подсоединения снимались показания напряжения. Для удобства проведения измерений термопары вставлялись в алюминиевую шайбу с высверленными в ней отверстиями и закреплялись холодной сваркой MASTIX. Данные полученных измерений занесены в таблицу 3. Таблица 3 Зависимость напряжения от количества хромель-алюмелевых термопар Количество термопар, шт. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Напряжение, В 0,04 0,07 0,11 0,15 0,19 0,23 0,27 0,31 0,35 0,39 0,42 0,46 0,50 0,53 0,57 0,61 0,64 0,68 0,72 Из таблицы видно, что n-количество термопар, соединённых последовательно увеличивают напряжение в n раз. Также я пришёл к выводу, что для термогенератора эффективнее использовать полупроводниковые материалы. Однако для походных условий и такой генератор из ТХА окажется не практичным в использовании, так как для него потребовалось бы от 63 до 125 термопар, соединённых последовательно. Мной также были проведены измерения напряжения хромель-алюмелевых термопар длиной 7 и 50 см. Результаты измерений показали, что напряжение не зависит от длины термопары. Полученные результаты были одинаковы. Исходя из проведённых выше исследований, было принято решение о целесообразности использования уже готового компактного термоэлектрического генераторного модуля (ТГМ) производства компании «Криотерм» города СанктПетербурга. Для этого в интернет-магазине «Чип и Дип» был заказан ТГМ-2871,0-1,5 (цена 2450 рублей), где 287 – количество термопар в модуле, 1,0 – линейный размер сечения (мм), 1,5 – высота (мм). Длина и ширинка модуля 40×40 мм. С одного такого модуля возможно сгенерировать напряжение до 6В, что достаточно для достижения основной цели моей работы. 2.3 Поиск инструментария и сборка ТЭГ Следующий этап работы начался с поиска составных частей будущего генератора, а именно металлической теплораспределительной пластины, устанавливающейся со стороны источника тепла, охлаждающего радиатора, отводящего тепло от модуля в окружающую среду. Вместе с папой в гараже была найдена алюминиевая пластинка (38× 6 × 0,7 см), радиатор алюминиевый (7× 15 × 5см), прижимная пластинка из текстолита (9× 6 см), болты М4 и, для обеспечения наилучшего теплового контакта ТГМ с источником тепла и радиатором холодной стороны, была куплена теплопроводная термопаста MX-2 по цене 280 рублей (фотография 3). Прижимная пластинка из текстолита Охлаждающий радиатор Теплопроводная термопаста Клеммник Термоэлектрический генераторный модуль Теплопроводная пластина Фотография 3. Составные части термоэлектрогенератора. Установка ТГМ в генератор производилась под руководством папы с помощью болтового прижима следующим образом: 1. Подготовка поверхности радиатора и пластины. Для этого на сверлильном станке мы просверлили 4 отверстия в радиаторе, 4 отверстия в прижимной пластинке из текстолита, я отшлифовал поверхности радиатора и алюминиевой пластинки, а папа нарезал резьбу под болты. 2. Нанесение тонкого и равномерного слоя теплопроводной пасты MX-2 на алюминиевую пластинку и радиатор в месте их соприкосновения с ТГМ. 3. Установка ТГМ между радиатором и алюминиевой пластинкой и удаление излишков термопасты. 4. Стягивание с помощью болтов и прижимной пластинки из текстолита пластинки и радиатора с ТГМ между ними. 5. Установка клеммника и подсоединение к нему проводов от ТГМ (был установлен после повреждения одного из проводов ТГМ при проведении испытаний). Сборка генератора заняла всего несколько минут. Вес генератора составил 1кг 200г, цена 2730 рублей (фотографии 4 и 5). Фотография 4. Сборка ТЭГ. Фотография 5. Готовый ТЭГ. 2.4 Полевые испытания ТЭГ Испытания ТЭГ проводились при различных температурах горячего и холодных концов. Для этого к термоэлектрогенератору были подключены два мультиметра – цифровой серии MD 838 P (погрешность ± 1%) с функцией регистрации температуры и стрелочный серии Ц 4341 (погрешность ± 2,5%). Цифровым снимались показания температуры горячего конца с интервалом 5°С, а стрелочным – имеющееся в данный момент напряжение. Сначала горячий конец нагревался на газовой плитке, в то время как холодный конец находился при комнатной температуре 23°С. При температуре горячего конца в 50°С было зафиксировано напряжение в 0,6В, при 85°С – 2,4В (при этом загорелся светодиодный фонарик), при 90°С – 2,7В (заработало радио), при температуре 135°С – 5,2В (начал заряжаться сотовый телефон) (фотография 6). Фотография 6. Работа фонарика от термоэлектрогенератора. Эксперимент закончили через 9 минут 40 секунд при температуре горячего конца 155°С и напряжении 6 В из-за боязни перегрева горячей стороны и выхода ТЭМ из строя. К тому же было достигнуто максимальное напряжение, указанное в технических характеристиках для данного модуля. После прекращения подачи тепла (отключения горелки) телефон продолжал заряжаться ещё в течение 6 минут 30 секунд! Если продолжать поддерживать температуру, равную 150°С, то получим постоянное напряжение в 6 В. Следующий эксперимент проводился аналогичным образом, но на улице при температуре воздуха 4°С. При данных условиях мы получили большее напряжение при меньшей температуре горячего конца. Фонарик загорелся при температуре горячего конца равного 60°С, радио заиграло при температуре 65°С, телефон начал заряжаться при 100°С. Напряжение в 6В было зафиксировано через 7 минут при температуре 120°С. После прекращения подачи тепла телефон заряжался 10 минут 34 секунды. По полученным данным составлен график 1. 7 Напряжение, В 6 5 4 4 3 2 1 1.9 2.2 2,3 2,8 1 1.2 0.6 0.8 4.1 4.4 3 3.4 1.6 1.8 2.2 2,4 4.6 2,7 2.9 5 5.4 3.2 5.6 3.6 5.8 6 3.8 4.1 4.4 4.6 4.9 5,2 5.4 5.6 5.8 6 - при температуре холодного конца 23°С - при температуре холодного конца 4°С 0 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 Температура горячего конца, °С График1. Зависимость напряжения от разности температур холодного и горячего концов Из графика 1 видно, что при большей разнице температур холодного и горячего концов можно достичь большего напряжения за меньшее время. Далее был проведён следующий эксперимент: нагрев горячий конец ТЭГ до температуры 155°С и получив при этом напряжение в 6 В, остановили нагрев, отключив горелку. Напряжение постепенно начало падать. В это время начали охлаждать холодный конец, который благодаря теплопроводности материалов со временем также прогревается, путём помещения радиатора в ёмкость с холодной водой. Напряжение вновь начало расти. После этого ТЭГ был опробован в походных условиях, где источником тепла вместо газовой горелки были оставшиеся после приготовления шашлыка раскалённые угли. Прибор также показал свою работоспособность, однако в данных условиях выявился и недостаток: сложность контролировать и поддерживать температуру горячего конца, не превышая предельно допустимую во избежание перегрева модуля и выхода его из строя. Однако при определённых навыках эта проблема решается. Мной было изучено мнение членов туристического клуба «Кедр», которым был предоставлен термоэлектрогенератор. Туристы по достоинству оценили прибор, так как им не раз приходилось сталкиваться с невозможностью подзарядки аккумулятора сотового телефона, разрядившегося в длительных походах. 2.5 Выводы по практической части работы Итак, проведённые испытания термоэлектрического генератора позволили сделать следующие выводы: 1. Напряжение, полученное от термопары из полупроводников в 20 раз больше, чем от термопары из железа и меди. Однако для изготовления портативного ТЭГ лучше использовать готовый ТГМ фирмы «Криотерм». 2. За 2730 рублей можно собрать походный ТЭГ весом 1кг 200 гр, и получить напряжение до 6 В. 3. Недостатком ТЭГ является необходимость поддерживания разности температур. 4. ТЭГ можно считать альтернативным источником электроэнергии и использовать для зарядки и работы мобильных устройств. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Актуальность данной работы обусловлена тем, что мы живём в эпоху электричества. Трудно представить какую-либо отрасль деятельности человека, куда бы ни проникли технологии, энергетическое обеспечение которых осуществляется с помощью электрической энергии. Расширение сфер применения электричества заставляет человечество искать новые источники электроэнергии. Одним из перспективных направлений развития альтернативных источников электрической энергии является разработка и производство термоэлектрических источников энергии, основанных на эффекте Зеебека. В ходе теоретической части работы я выяснил, что лежит в основе преобразования тепловой энергии в электрическую, какие элементы и почему лучше использовать для изготовления термопар, как изменяется напряжение при последовательном соединении термопар и при различных значениях температур горячих и холодных концов. Наличие в продаже компактных ТЭМ позволило мне под руководством папы собрать термоэлектрогенератор. Готовый генератор получился недорогим, достаточно компактным, эффективным и простым в использовании. С его помощью можно сгенерировать напряжение до 6В. Он незаменим для питания маломощных потребителей энергии – радиоприёмников, фонариков, сотовых телефонов в глухих, труднодоступных неэлектрифицированных местах. По сравнению с другими альтернативными источниками энергии он наиболее пригоден в походных условиях, так как не требует солнца, ветра, физических затрат. Он позволяет получить электричество из любого источника тепла. А какой поход обходится без костра? Я считаю, что любой охотник, турист, моряк, вынужденный долгое время находиться вдали от источников центрального энергоснабжения, должен иметь в своём арсенале такой генератор. Работа также может использоваться на уроках физики при изучении термоэлектричества. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики Т.2/ Г. С. Ландсберг. М.:Наука, 1971 [1] 2. Анфилов Г. Б. Что такое полупроводник / Г. Б. Анфилов. - М.: Государственное Издательство Детской Литературы Министерства Просвещения РСФСР, 1957 [2] 3. Шостаковский П. Термоэлектрические источники альтернативного питания / П. Шостаковский // Компоненты и технологии. – 2010. - №12 [3] 4. http://www/modiledevice.ru Дата обращения 19.05.2014г [4] 5. http://www/kryothermtec.com Дата обращения 04.09.2014г [5] 6. http://www/microintech.ru Дата обращения 13.10.2014г 6]
