ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ «ШКОЛА С УГЛУБЛЕННЫМ ИЗУЧЕНИЕМ АНГЛИЙСКОГО ЯЗЫКА № 000 ИМЕНИ ГЕНЕРАЛА Д. Ф. АЛЕКСЕЕВА»
124498, г. Москва, Зеленоград, ул. Березовая аллея, д. 8А
телефон 8 (499)735-45-31 e –mail: *****@***mos. ru http://sch1353zg. mskobr. ru
Генератор альтернативной энергии
ПРОЕКТ
Исполнитель:
,
учащийся 9 класса.
Руководители проекта:
,
учитель физики ГБОУ Школа № 000.
Зеленоград
2017
Оглавление
Введение 3 стр. Основная часть Теоретическая часть. 4 стр. Принцип работы термоэлектрического генератора Принцип работы солнечной батареи Зачем нужен контроллер для солнечной и термобатареи? Практическая часть 9 стр. Сборка генератора альтернативной энергии Критерии проекта Выявленные достоинства и недостатки работы устройства Результаты 11 стр. Измерения и применение Выводы 12 стр. Список литературы 13 стр.
Введение
Современные электронные технологии внесли в наш быт много новых компактных устройств, без которых этот самый быт уже немыслим. Все они питаются от автономных источников — батареек или аккумуляторов, которые в обычных условиях можно купить либо зарядить. В условиях удаленных от благ цивилизации, например в длительном походе, нередко возникает необходимость пополнения энергии источников питания. Вдали от линий электропередач 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.
Тогда встал вопрос: можно ли создать альтернативный источник энергии для зарядки мобильных устройств в походных условиях? Выручить сможет устройство, соединяющее возможности термобатареи и солнечной батареи.
Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Актуальность изучения термоэлектричества обусловлена возможностью обеспечения автономного питания маломощных устройств от любого источника тепла. Да и солнечную энергию не использовать просто расточительно. По возможности ее можно преобразовывать в электрическую и аккумулировать.
И так, темой моего проекта является разработка идеи использования энергии солнца и тепла для получения электроэнергии.
Цель проекта: Создание модели генератора для получения и аккумулирования электроэнергии из разницы температур и энергии солнца.
Задачи:
1) исследовать материал по теме «Генерирование электрической энергии»;
2) изучить различные виды термоэлектрических генераторов;
3) изучит различные виды солнечных батарей
3) создать модель генератора, преобразующего энергию солнца и тепла в электрическую.
Основная часть Теоретическая часть. Принцип работы термоэлектрического генератора.
Термоэлектричество – преобразование тепла в электричество с помощью термоэлектрогенератора. Первым возможность такого процесса обнаружил немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, когда 14 декабря 1820 года на заседании Берлинской академии наук впервые доложил о наблюдении им отклонения магнитной стрелки компаса вблизи замкнутой цепи из двух разнородных металлов, один спай которого нагревался. 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 [4].
В замкнутой цепи, составленной из разных материалов (термопаре), места спаев которых находятся при неодинаковых температурах, действует сила, обуславливающая разделение зарядов, получившая название электродвижущей силы (термо-э. д.с.).
Возникновение эффекта Зеебека связано с тем, что энергии свободных электронов или дырок в полупроводниковом материале зависят от температуры (рис. 1) [6].
Рис. 1. Движение электронов и дырок в материале при нагреве
Рис. 2. Появление термоЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных материалов, если места контактов имеют разные температуры.
В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Если один контакт нагрет больше, чем другой, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток (рис. 2). В состав термоэлектрических генераторов входят термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов, соединенных последовательно или параллельно и теплообменники горячих и холодных спаев термобатарей. Принципиальная схема электрической цепи полупроводникового термоэлектрического генератора включает в себя полупроводниковый термоэлемент, состоящий из ветвей (вырезанных из кристаллов небольших прямоугольных элементов) p - и n-типа проводимости, то есть обладающими разными знаками коэффициента термоэлектродвижущей силы, коммутационные пластины горячего и холодного спаев и активную нагрузку (рис. 3).
Рис. 3. Устройство полупроводникового термоэлемента
Так как величина термо - э. д.с., развивающаяся в отдельном термоэлементе, очень мала, то для получения более значительных э. д.с. отдельные термоэлементы часто соединяют в термобатареи (термоэлектрические модули). Э. д.с. батареи из n элементов в n раз больше, чем у одного термоэлемента [1].
Термоэлектрический генератор (ТЭГ) - это устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием полупроводниковых термоэлементов, соединённых между собой последовательно или параллельно[6].
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 [5].
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 [4].
Принцип работы солнечной батареиСолнечная батарея, она же фотобатарея, представляет собой фотопластину, изменяющую под воздействием солнечных лучей проводимость в отдельных своих участках.
Это позволяет преобразовать энергию этих переходов в электрическую, которая либо используется сразу, либо накапливается [8].
Для того, чтобы понять принцип работы солнечной батареи, необходимо знать несколько моментов:
Солнечная батарея представляет собой систему фотоэлектрических преобразователей, которые соединены друг с другом в заданной последовательности. В структуру фотопреобразователей входит два слоя, отличающихся между собой типом проводимости: n и p.
На отрицательно заряженную панель падает солнечный свет. Он вызывает активное образование дополнительных отрицательных зарядов и «дырок». Под воздействием электрического поля, которое присутствует в p-n переходе, происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц. Первые направляются в верхний слой, а вторые в нижний. Таким образом, появляется разность потенциалов, иными словами, постоянное напряжение (U). Исходя из этого видно, что один фотопреобразователь работает по принципу батарейки. И в случае, когда к нему подсоединяется нагрузка, в цепи возникает ток [8].
Выделяют несколько типов солнечных батарей: поли - и монокристаллические, а также аморфные.
Монокристаллические являются наименее продуктивными, но при этом самыми недорогими. В связи с этим их использование оправдано в качестве дополнительных источник энергии на случай отключения централизованной подачи электроэнергии.
Поликристаллы занимают промежуточные позиции по этим двум параметрам, в связи с чем могут быть использованы в отдаленных районах, лишенных централизованной подачи электроэнергии.
Аморфные солнечные батареи отличаются высокой эффективностью, однако и очень высокой стоимостью. В их основу входит аморфный кремний[8].
Зачем нужен контроллер для солнечной и термобатареи?Солнечные и термобатареи, принцип работы которых был описан выше, не смогли бы эффективно заменить системы центральной подачи электроэнергии, если бы не были оснащены контроллерами, способными контролировать степень заряда батареи.
Контролеры позволяют перераспределять энергию, полученную от батарей, направляя ее при необходимости напрямую к источнику потребления, либо сохраняя ее в аккумуляторе.
Практическая часть Сборка генератора альтернативной энергии
Изучив все вышеперечисленные материалы, я решил создать модель генератора, который преобразовывал бы энергию солнца и тепла в электрическую.
Комплектующие и их цена:
6 элементов Пельтье -720 руб. Алюминиевые пластины 3 штуки-0 руб. Стальная пластина-0 руб. Гайки и болты (по 6 штук каждых)-12 руб. 2 солнечные панели-200 руб. Контактные группы(10 штук)-30 руб. Термопаста – имелось в наличии. Паста гои – имелось в наличии.Итого: 782 руб.
Инструмент
- Шуроповёрт Лобзик Бор машинка Свёрла 4мм Клей-пистолет Отвёртки Паяльник
План изготовления:
Заготовить три алюминиевые пластины и одну стальную пластину. Проделать необходимые отверстия на пластинах под болты диаметром 4 мм. Нанести термопасту на поверхность пластин, на которую будут установлены термоэлементы. Поместить элементы и скрутить конструкцию гайками под болт 4 мм. Установить крепление для солнечных панелей. Соединить все выводы последовательно и подключить к модулю зарядки аккумуляторов.Критерии проекта
При успешно проведенных измерениях мне удалось понять главные критерии результативности.
Устройство:
- должно вырабатывать и аккумулировать электрическую энергию, используя энергию тепла и солнца;
- должно быть экологичным и не вредоносным для природы, а также для человека;
- должно работать без помощи человека, то есть должно применятся там, где есть, разница температуры, обеспечивающие работу термогенератора или солнечное освещение, достаточное для работы солнечной батареи;
- должно быть компактным;
- должно быть дешевым.
Выявленные достоинства и недостатки работы устройства
Среди преимуществ можно отметить:
Экологичность; Простой принцип работы; Бесшумность; Не нужно топлива; Отсутствие подвижных элементов, которые обычно изнашиваются. Малые размеры; Возможность изменения мощности системы.Среди недостатков можно отметить:
Низкий КПД; Сложность сборки системы и наладки; Необходимость создания источника, обеспечивающего температурный перепад.Результаты Измерения и применение
Экспериментальным путём была доказана возможность сгенерировать с помощью изготовленного прибора напряжение в 12В. В практической части работы было установлено, что мощности полученного тока хватает для работы светодиодного фонарика при напряжении 2,3 В, для работы небольшого радио при напряжении 2,7 В, и для зарядки телефона при необходимом напряжении в 5 В. Следовательно, мощности, полученной в результате преобразования тепловой и солнечной энергии в электрическую с помощью созданного устройства, вполне достаточно для освещения палатки, прослушивания радио и зарядки аккумулятора сотового телефона в походных условиях.
Созданный генератор может быть также установлено на балконах жилых домов, использовать разницу температур за окном и дома – зимой, а солнечную энергию – летом, и способно вырабатывать и аккумулировать электрическую энергию для использования ее в бытовых нуждах населения.
Созданное устройство можно также может использоваться как наглядное пособие на уроках физики при изучении электрического тока.
ВыводыРезультатом работы является готовая модель генератора альтернативной энергии, выполняющая экологические задачи, которая может быть установлена на балконах жилых домов или использована в походных условиях, способная вырабатывать и аккумулировать электрическую энергию для бытовых нужд населения.
Наличие в продаже компактных ТЭМ и фотопластин позволило мне собрать электрогенератор преобразующий энергию тепла и солнца в электрическую. Готовый генератор получился недорогим, достаточно компактным, эффективным и простым в использовании. С его помощью можно сгенерировать напряжение до 12В. Он незаменим для питания маломощных потребителей энергии – радиоприёмников, фонариков, сотовых телефонов в глухих, труднодоступных неэлектрифицированных местах или для экономии электроэнергии в быту. Он просто необходим в походных условиях, так как позволяет получить электричество из любого источника тепла, не применяя никаких физических усилий. Я считаю, что любой охотник, турист, моряк, вынужденный долгое время находиться вдали от источников центрального энергоснабжения, должен иметь в своём арсенале такой генератор.
Созданное устройство можно также может использоваться как наглядное пособие на уроках физики при изучении электрического тока.
5. Список литературы
Элементарный учебник физики Т.2/ . - М.:Наука, 1971. Что такое полупроводник/ . - М.: Государственное Издательство Детской Литературы Министерства Просвещения РСФСР, 1957. Физика 8 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2013. ермоэлектрическиеисточники альтернативного питания / П. Шостаковский // Компоненты и технологии. – 2010. - №12. Сайт http://www/ Сайт http://www. /articles/over/over_1543.html Сайт http://www//skybox. org Сайт http:///solnechnaya-batareya-princip-raboty/