Підвищення ефективності транспортних структур за допомогою термоелектричних перетворювачів

ЗМІСТ

ВСТУП

РОЗДІЛ І. Закони когенерації

.1 Відкриття ефекту Пельтьє

1.1.1 Пояснення принципу когенерації

.1.2 Електрогенеруючі модулі

.1.3 Особливості експлуатації термоелектричних перетворювачів

1.2 Когенерація, комбіноване виробництво теплової та електричної енергії

.3 Застосування термоелектрогенератора на транспорті

РОЗДІЛ ІІ. Експериментальне дослідження когенераційної установки

.1 Аналітичний огляд

.3 Дослідницька частина

.4 Візуалізація спроектованої установки

.5 Лабораторно-практична робота

РОЗДІЛ III Охорона праці

.1      Профілактика електровражень

.2. Надання першої допомоги особам, що постраждали від електричного струму

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ДОДАТКИ

ВСТУП

Людина, приречена учитися постійно. Тільки засвоївши уроки, які їй надає життя, вона не буде повторювати ті ж помилки. На сьогоднішній день, людство розуміє: що створено чи мало корисних винаходів, моделей які позитивно впливають на рівень нашого життя. Про те, є і інша сторона медалі, яка показує низький рівень екології, недосконалість та негативні наслідки наших надбань.

Тому, слід задуматися та зробити висновки над нашим майбутнім - використовувати дійсно близькі до досконалого способи отримання енергії. Особливу актуальність це здобуває при впровадженні нових технологій, а саме, використання когенераційних установок.

Когенерація є одним із найпоширеніших методів повторного використання енергії <#"882007.files/image001.gif">

Рис. 1.1. Приклад реалізації ефекту Пельтьє.

Коли електричний струм проходить через два різнорідні матеріали (метали або напівпровідники), один з яких має два спаї (рис. 1.1), то на одному спаї тепло буде поглинатися, а на іншому - виділятися.

При цьому один спай охолоджується, а другий нагрівається, залежно від напрямку струму. Нагрівання (охолодження) контакту можна розглядати з точки зору поглинання чи випромінювання енергії (рис. 1.2), або ж задавати як потік електронів, що рухаються із напівпровідника в металічні електроди (і навпаки) на їх контакті (рис. 1.3).

Цей процес є оборотним: електричний струм може подаватися через контакт для створення градієнта температури (а отже і теплового потоку), або ж градієнт температури може використовуватися для генерування електричного струму (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Схема поглинання і випромінювання енергії на контактах двох напівпровідників

Рис. 1.3 Схема процесів поглинання (а), (б) та випромінювання (в), (г) теплової енергії з точки зору переходу електронів (б), (г) та дірок (а), (в) через контакти між напівпровідником і металом. EF - енергія Фермі

ΔEt n,p - зміщення енергії Фермі на контакті «метал-напівпровідник», відносно енергії Фермі у металі [13].

Hogan T. “Thermoelectricity” in the Encyclopedia of Physical Science and Technology. Third Edition,.A. Meyers, editor-in-chief, San Diego: Academic Press, CA (2001).

Коли струм проходить через коло, тепло поглинається на контакті Т2 і виділяється на контакті Т1, якщо диференційний коефіцієнт Пельтьє -негативний. Теплота Пельтье (Q), яка поглинається на холодному спаю в одиницю часу визначається згідно виразу:

dQ/dt =Пав - І = (Па - Пв)І; (1.1)

де, Па та Пв - коефіцієнти Пельтьє матеріалів A і B, відповідно.

При проведенні одного з експериментів Жан-Шарль Пельтьє пропускав електричний струм через смужку вісмуту, з підключеними до неї мідними провідниками (рис. 1.4). У ході експерименту він виявив, що одне з'єднання вісмут-мідь нагрівається, інше - остигає.

Рис. 1.4 - Схема досліду для вимірювання тепла Пельтьє

Сам Пельтьє не розумів в повній мірі сутність відкритого ним явища. Справжній сенс явища був пізніше пояснений в 1838г. Ленцем.

Тепло Пельтьє пропорційне силі струму і може бути виражено формулою:

п = П • q (1.2)

де q - заряд пройшов через контакт, П - так званий коефіцієнт Пельтьє, який залежить від природи контактуючих матеріалів та їх температури. Коефіцієнт Пельтьє може бути виражений через коефіцієнт Томпсона:

П = T (3)

де - коефіцієнт Томпсона, Т - абсолютна температура.

Необхідно відзначити, що коефіцієнт Пельтьє знаходиться в істотній залежності від температури. Деякі значення коефіцієнта Пельтьє для різних пар металів представлені в таблиці 1.

Таблиця 1.1

Величина тепла Пельтьє, що виділяється і його знак залежать від виду контактуючих речовин, сили струму і часу його проходження.

Розмірність коефіцієнта Пельтьє [П] СІ = Дж / Кл = В

Класична теорія пояснює явище Пельтьє тим, «що при переносі електронів струмом з одного металу в іншій, вони прискорюються або сповільнюються внутрішньою контактною різницею потенціалів між металами. У разі прискорення кінетична енергія електронів збільшується, а потім виділяється у вигляді тепла. У зворотному випадку кінетична енергія зменшується, і енергія поповнюється за рахунок енергії теплових коливань атомів другого провідника, таким чином він починає охолоджуватися. При більш повному розгляді враховується зміна не тільки потенційної, а й повної енергії[3]»

На рис. 1.5. і рис. 1.6. зображена замкнута ланцюг, складена з двох різних напівпровідників ПП1 і ПП2 з контактами А і В.

Рис. 1.5. Виділення тепла Пельтьє (контакт А)

Рис. 1.6. Поглинаня тепла Пельтьє (контакт В)

Такий ланцюг, прийнято називати термоелементом, а її гілки - термоелектродами. Через ланцюг проходить струм I, створений зовнішнім джерелом e. Рис. 1.2. ілюструє ситуацію, коли на контакті А (струм тече від ПП1 до ПП2) відбувається виділення тепла Пельтьє Qп (А)> 0, а на контакті В (струм направлений від ПП2 до ПП1) його поглинання -п (В)<0. У результаті відбувається зміна температур спаїв: ТА> ТВ.

Причина виникнення ефекту Пельтьє на контакті напівпровідників з однаковим видом носіїв струму (два напівпровідника n-типу або два напівпровідника p-типу) така ж, як і у випадку контакту двох металевих провідників. Носії струму (електрони або дірки) по різні сторони спаю мають різну середню енергію, яка залежить від багатьох причин: енергетичного спектру, концентрації, механізму розсіяння носіїв заряду.

Якщо носії, пройшовши через спай, потрапляють в область з меншою енергією, вони передають надлишок енергії кристалічній решітці, в результаті чого поблизу контакту відбувається виділення теплоти Пельтьє (Qп> 0) і температура контакту підвищується. При цьому на іншому спаю носії, переходячи в область з більшою енергією, запозичують відсутню енергію від решітки, відбувається поглинання теплоти Пельтьє (Qп <0) і зниження температури.

Ефект Пельтьє, як і всі термоелектричні явища, виражений особливо сильно в ланцюгах, складених з електронних (n - тип) і діркових (р - тип) напівпровідників. У цьому випадку ефект Пельтьє має інше пояснення.

Розглянемо ситуацію, коли струм в контакті йде від діркового напівпровідника до електронного (р®n). При цьому електрони і дірки рухаються назустріч один одному і, зустрівшись, рекомбінують. В результаті рекомбінації звільняється енергія, яка виділяється у вигляді тепла. Ця ситуація розглянута на рис. 1.7., Де зображені енергетичні зони (ec- зона провідності, ev- валентна зона) для домішкових напівпровідників з дірковою і електронною провідністю.

Рис. 1.7. Виділення тепла Пельтьє на контакті напівпровідників p і n-типу.

На рис. 1.8. (ec - зона провідності, ev - валентна зона) ілюструється поглинання тепла Пельтьє для випадку, коли струм йде від n до p-напівпровідника (n ® p).

Рис. 1.8 - Поглинання тепла Пельтьє на контакті напівпровідників p і n-типу.

Тут електрони в електронному й дірки в дірковому напівпровідниках рухаються в протилежні сторони, йдучи від кордону розділу. Спад носіїв струму в прикордонній області заповнюється за рахунок попарного народження електронів і дірок. На освіту таких пар потрібна енергія, яка поставляється тепловими коливаннями атомів решітки. Утворені електрони і дірки захоплюються в протилежні сторони електричним полем. Тому поки через контакт йде струм, безперервно відбувається народження нових пар. В результаті в контакті тепло буде поглинатися.

Застосування напівпровідників різних типів в термоелектричних модулях представлено на рис. 1.9.

Рис.1.9. Використання напівпровідникових структур в термоелектричних модулях.

Такий ланцюг дозволяє створювати ефективні охолоджуючі елементи.

Проблема, отримання «чистої енергії» та відводу тепла від пристроїв в XІX не була такою гострою, як сьогодні. Тому до ефекту Пельтьє звернулися тільки через майже два століття, коли з'явилися електронні пристрої, для роботи яких потрібні були мініатюрні системи охолодження.

Перевагою охолоджуючих елементів Пельтьє є малі габарити, відсутність рухомих деталей, можливість каскадного з'єднання для отримання великих перепадів температур.

Крім цього, ефект Пельтьє звернемо: при зміні полярності струму через модуль, охолодження змінюється нагріванням, тому на ньому легко реалізуються системи точного підтримки температури - термостати. Недоліком елементів (модулів) Пельтьє є низький ККД, що вимагає підведення великих значень струму для отримання помітного перепаду температур.

1.1.2 Пояснення ефекту Пельтьє

Пояснення ефекту Пельтьє слід розпочати з того, що одиничним елементом термоелектричного модуля (ТЕМ) - є термопара, що складається з двох різнорідних елементів з p-і n-типом провідності.

Елементи з’єднуються між собою за допомогою комутаційної пластини з міді. Як матеріал елементів традиційно використовуються напівпровідники на основі вісмуту, телуру, сурми і селену.

В напівпровідниках за перенесення енергії відповідають електрони і "дірки", але механізм перенесення тепла і появи різниці температур зберігається. Різниця температур збільшується до тих пір, поки не вичерпаються високоенергетичні електрони. Настає, так звана, температурна рівновага. Така сучасна картина опису ефекту Пельтьє.

З неї зрозуміло, що ефективність роботи елемента Пельтьє залежить від підбору пари матеріалів, сили струму і швидкості відводу тепла від гарячої зони. Для сучасних матеріалів (як правило, це напівпровідники) ККД становить 5-8%.

Для його збільшення окремі термопари (спаї двох різних матеріалів) збираються в групи, що складаються з десятків і сотень елементів. Основне призначення таких модулів - це охолодження невеликих об'єктів або мікросхем

А тепер давайте згадаємо загальний курс фізики у якому описується, що первинними та єдиними носіями заряду є електрони та протони. У вакуумі та газах, електрони і протони можуть бути вільними, в твердих тілах та рідинах - зв'язані з атомами і їх заряди взаємно врівноважують один одного. При визначених умовах електрони можуть відриватись від атомів або приєднюватися до них і, в цьому випадку, виникають додатньо та від'ємно заряджені іони, які також можуть створювати струм. Здатність іонів переміщуватись у твердому тілі дуже обмежена, так як вони утворюють зв'язки із сусідніми атомами, тому, якщо в твердому тілі присутні вільні електрони, то саме вони і будуть визначати його провідністьх [1]. Жеребцов И.П. Основы электроники. - Л.:Энергоатомиздат, 1985.

Електро́н (грец. <#"882007.files/image010.gif">

Рис.1.10. З’єднання чотиривалентного кремнію Si з п'ятивалентним арсеном (As)

Напівпровідники з донорною провідністю мають більшу кількість електронів порівняно з кількістю дірок. Їх називають напівпровідниками n-типу. У них електрони є основними носіями заряду, а дірки- неосновними[2]. <#"882007.files/image011.gif">

Рис. 1.11. З’єднання трьох валентного кремнію індій (In) з чотирьох валентним кремнієм (Si)

Домішки цього типу називають акцепторними (приймальними). Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу. Основними носіями заряду таких напівпровідників є дірки, а неосновними - електрони.

Цікаві явища спостерігаються під час контакту напівпровідників n- і р-типів.

З'єднаємо два напівпровідники: один з донорною, а другий з акцепторною домішкою. Контакт двох напівпровідників називають р-n-переходом (рис.1.12).

На межі контакту електрони частково переходять із напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу, а дірки - навпаки.

Рис.1.12. р-n-перехід, з’єднання з донорною та акцепторною домішкою напівпровідників

Якщо подати напругу на напівпровідник з р-n-переходом так, щоб до напівпровідника р-типу під'єднувався позитивний полюс батареї, а на n-типу - негативний, то при цьому струм через р-n перехід забезпечується основними носіями: з n-типу в р-тип - електронами, а із р-типу в n-тип - дірками. Унаслідок цього провідність усього зразка велика, а опір малий. Такий перехід називають прямим.

Під’єднаємо батареї навпаки. Струм I в колі стане незначним за тієї ж напруги U, оскільки струм через р-n перехід забезпечується неосновними носіями заряду і провідність зразка стає незначною, а опір великим. Утворюється так званий запірний шар. Цей перехід називають зворотним [2].

При проходженні через термоелектричний модуль постійного електричного струму між його сторонами утворюється перепад температур-одна сторона (холодна) охолоджується, а інша (гаряча) нагрівається. Якщо з гарячою боку ТЕМ забезпечити ефективне відведення тепла, наприклад, за допомогою радіатора, то на холодній стороні можна отримати температуру, яка буде на десятки градусів нижче температури навколишнього середовища. Ступінь охолодження буде пропорційною величиною струму. При зміні полярності струму гаряча і холодна сторони міняються місцями. Практика. Елементи Пельтьє широко використовуються в системах охолодження. Але не багато хто знає про їх іншому властивості - виробляти енергію.

1.1.3 Модулі Пельтьє

Об'єднання великої кількості пар напівпровідників p - і n - типу дозволяє створювати охолоджуючі елементи - модулі Пельтьє, порівняно великої потужності. Структура напівпровідникового термоелектричного модуля Пельтьє представлена на рис. 1.13.

Рис. 1.13. Структура модуля Пельтьє

Модуль Пельтьє, являє собою термоелектричний холодильник, що з послідовно з'єднаних напівпровідників p- і n-типу утворюють рn і nр-переходи. Кожен з таких переходів має тепловий контакт з одним з двох радіаторів. В результаті проходження електричного струму певної полярності утворюється перепад температур між радіаторами модуля Пельтьє: один радіатор працює як холодильник, інший радіатор нагрівається і служить для відводу тепла. На рис. 1.14. представлений зовнішній вигляд типового модуля Пельтьє.

Рис. 1.14. Зовнішній вигляд модуля Пельтьє

Типовий модуль забезпечує значний температурний перепад, який становить кілька десятків градусів. При відповідному примусовому охолодженні нагріваючого елемента радіатора, другий радіатор - холодильник, дозволяє досягти від'ємних значень температур. Для збільшення різниці температур можливе каскадне включення термоелектричних модулів Пельтьє при забезпеченні адекватного їх охолодження. Це дозволяє порівняно простими засобами отримати значний перепад температур і забезпечити ефективне охолодження елементів, що захищаються. На рис. 1.15. представлений приклад каскадного включення типових модулів Пельтьє.

Рис. 1.15. Представлений приклад каскадного включення модулів Пельтьє

Пристрої охолодження на основі модулів Пельтьє часто називають активними холодильниками Пельтьє або просто кулерами Пельтьє.

Рис.1.16. - Зовнішній вигляд кулера з модулем Пельтье

Головна характеристика термоелектричного охолоджуючого пристрою - це ефективність охолодження:

= a2 / (RL), (5)

де - коефіцієнт термоерс;- питомий опір;- питома теплопровідність напівпровідника.

Параметр Z - функція температури і концентрації носіїв заряду, причому для кожної заданої температури існує оптимальне значення концентрації, при якій величина Z максимальна. Введення в напівпровідник тих чи інших домішок - основне доступний засіб змінювати його показники (а, г, л) в бажану сторону.

Використання модулів Пельтьє в активних кулерах робить їх істотно більш ефективними в порівнянні зі стандартними типами кулерів на основі традиційних радіаторів і вентиляторів. Однак у процесі конструювання та використання кулерів з модулями Пельтьє необхідно враховувати ряд специфічних особливостей, що випливають з конструкції модулів, їх принципу роботи, архітектури сучасних апаратних засобів комп'ютерів і функціональних можливостей системного та прикладного програмного забезпечення.

1.1.4 Особливості експлуатації модулів Пельтьє

Модулі Пельтьє, застосовувані в складі засобів охолодження електронних елементів, відрізняються порівняно високою надійністю, і на відміну від холодильників, створених за традиційною технологією, не мають рухомих частин. І, як це зазначалося вище, для збільшення ефективності своєї роботи вони допускають каскадне використання, що дозволяють довести температуру корпусів захищаючих електронних елементів до негативних значень навіть при їх значній потужності розсіювання. Також модуль є оборотним, тобто при зміні полярності постійного струму гаряча і холодна пластини міняються місцями.

Однак крім очевидних переваг, модулі Пельтьє володіють і рядом специфічних властивостей і характеристик, які необхідно враховувати при їх використанні в складі охолоджуючих засобів. Деякі з них були вже відзначені, але для коректного застосування модулів Пельтьє вимагають більш детального розгляду.

До найважливіших характеристик відносяться такі особливості експлуатації:

Ø  Модулі Пельтьє, що виділяють в процесі своєї роботи велику кількість тепла, вимагають наявності в складі кулера відповідних радіаторів і вентиляторів, здатних ефективно відводити надмірне тепло від охолоджуючих модулів.

Ø  Термоелектричні модулі відрізняються відносно низьким коефіцієнтом корисної дії (ккд) і, виконуючи функції теплового насоса, вони самі є потужними джерелами тепла. Використання даних модулів у складі засобів охолодження електронних комплектуючих комп'ютера викликає значне зростання температури усередині системного блоку, що нерідко вимагає додаткових заходів і засобів для зниження температури всередині корпусу комп'ютера. В іншому випадку підвищена температура всередині корпусу створює труднощі для роботи не тільки для захищаються, і їх систем охолодження, але і решті складових комп'ютера.

Ø  Модулі Пельтьє є порівняно потужної додатковим навантаженням для блоку живлення. Споживаний ними струм перевищує 6А. Занадто тонкі дроти живлення можуть не витримати такої сили струму. З урахуванням значення струму споживання модулів Пельтьє величина потужності блоку живлення комп'ютера повинна бути не менше 250 Вт

Ø  Модуль Пельтьє, в разі виходу його з ладу, ізолює охолоджуваний елемент від радіатора кулера. Це призводить до дуже швидкого порушення теплового режиму захищається елемента і швидкого виходу його з ладу від подальшого перегріву.

Ø  Термоелектричні модулі відповідають технічним даними протягом 2-х років з дати виготовлення при дотриманні споживачем умов зберігання і експлуатації. Термін зберігання і експлуатації - 15 років з моменту прийняття. З досвіду відомо, що якщо тільки модуль не нагріватиметься до температури плавлення олова, він прослужить дуже довго.

Ø  Напруга, що подається пна модуль визначається кількістю пар гілок у модулі. Найбільш поширеними є 127-парні модулі, величина максимальної напруги для яких становить приблизно 16 В. На ці модулі зазвичай подається напруга живлення 12 В. Такий вибір напруги живлення в більшості випадків є оптимальним і дозволяє забезпечити, з одного боку, достатню потужність охолодження, а з іншого боку, достатню економічність. При підвищенні напруги живлення більш 12 В збільшення холодильної потужності буде слабким, а споживана потужність буде різко збільшуватися. При зниженні напруги живлення економічність зростатиме, холодильна потужність зменшуватиметься, але лінійно, що дуже зручно для організації плавного регулювання температури. Для модулів з числом пар гілок відмінним від 127, необхідно враховувати особливості конкретного пристрою, перш за все, умови тепловідведення з гарячою боку, і можливості джерел живлення.

Ø  Велике значення відіграє потужність модуля Пельтьє, яка, як правило, залежить від його розміру. Модуль малої потужності не забезпечує необхідний рівень охолодження, що може привести до порушення працездатності захищається електронного елемента, наприклад, процесора внаслідок його перегріву. Однак застосування модулів дуже великої потужності може викликати пониження температури охолоджуючого радіатора до рівня конденсації вологи з повітря, що небезпечно для електронних ланцюгів. Це пов'язано з тим, що вода, безперервно одержувана в результаті конденсації, може привести до коротких замикань в електронних ланцюгах комп'ютера. Для виключення даної небезпеки доцільно використовувати холодильники Пельтьє оптимальної потужності. Виникне конденсація чи ні, залежить від декількох параметрів.

Найважливішими є:

ü  температура навколишнього середовища (в даному випадку температура повітря всередині корпусу);

ü  температура охолоджуваного об'єкта;

ü  вологість повітря.

Чим тепліше повітря всередині корпусу і чим більше вологість, тим імовірніше сконденсовану вологи і подальший вихід з ладу електронних елементів комп'ютера. Нижче представлена таблиця, що ілюструє залежність температуру конденсації вологи на охолоджуваному об'єкті залежно від вологості і температури навколишнього повітря. Використовуючи цю таблицю, можна легко встановити, чи існує небезпека конденсації вологи чи ні. Наприклад, якщо зовнішня температура 25 ° C, а вологість 65%, то конденсація вологи на охолоджуваному об'єкті відбувається при температурі його поверхні нижче 18 ° C.

Таблиця 1. 2

Крім зазначених особливостей, необхідно враховувати і ряд специфічних обставин, , це пов'язано з тим, що існуючі холодильники Пельтьє, як правило, розраховані на безперервну роботу. У зв'язку з цим, найпростіші холодильники Пельтьє, що не володіють засобами контролю, не рекомендується використовувати разом з охолоджуючими програмами. Це дозволяє оптимізувати їх енергоспоживання.

Елементи Пельтьє застосовуються в ситуаціях, коли необхідно охолодження з невеликою різницею температур, або енергетична ефективність охолоджувача не важлива. Наприклад, елементи Пельтьє застосовуються в маленьких автомобільних холодильниках, так як застосування компресора в цьому випадку неможливо через обмежених розмірів і, крім того, необхідна потужність охолодження невелика.

Крім того елементи Пельтьє застосовуються для охолодження пристроїв із зарядним зв'язком в цифрових фотокамерах. За рахунок цього досягається помітне зменшення теплового шуму при тривалих експозиціях (наприклад в астрофотографії). Багатоступінчасті елементи Пельтьє застосовуються для охолодження приймачів випромінювання в інфрачервоних сенсорах.

Також елементи Пельтьє часто застосовуються:

. для охолодження і термостатування діодних лазерів, щоб стабілізувати довжину хвилі випромінювання;

. в комп'ютерній техніці;

. в радіоелектричних пристроях;

. у медичному і фармацевтичному обладнанні;

. у побутовій техніці;

. в кліматичному обладнанні;

. в термостатах;

. в оптичній апаратурі;

. для управління процесом кристалізації;

. як підігрів в цілях опалення;

. для охолодження напоїв;

. в лабораторних і наукових приладах;

. в льодогенераторами;

. в кондиціонерах;

. для отримання електроенергії;

. в електронних лічильниках витрати води.

Звичайно, охолоджуючі пристрої Пельтьє навряд чи підходять для масового використання. Вони досить дорогі і вимагають правильного режиму експлуатації. Сьогодні це, швидше, інструмент для любителів розгону процесорів. Однак у випадку необхідності сильного охолодження процесорів кулери Пельтье є найбільш ефективними пристроями.

З'явилися повідомлення про експерименти з вбудовування мініатюрних модулів Пельтьє безпосередньо в мікросхеми процесорів для охолоджування їх найбільш критичних структур. Таке рішення сприяє кращому охолодженню за рахунок зниження теплового опору і дозволяє значно підвищити робочу частоту і продуктивність процесорів.

Роботи в напрямку вдосконалення систем забезпечення оптимальних температурних режимів електронних елементів ведуться багатьма дослідницькими лабораторіями. І системи охолодження, що передбачають використання термоелектричних модулів Пельтьє, вважаються надзвичайно перспективними.

1.2 Комбіноване вироблення теплової та електричної енергії

когенерація транспорт термоелектричний пельтье

Однією із найбільш актуальних проблем нашого часу є пошук екологічно чистих альтернативних джерел енергії. Термоелектрика описує процеси перетворення теплової енергії в електричну та навпаки. Ці процеси дістали назву когенерація. Під когенерацією розуміють (також комбіноване виробництво тепла та електроенергії) яке полягає у використанні електростанції для одночасного виробництва тепла <#"882007.files/image017.gif">, (2.1)

де σ - електропровідність, S - коефіцієнт Зеебека, T - робоча температура, κ - теплопровідність. Чим вища добротність, тим вищою є ефективність термоелектричного матеріалу чи електрогенератора.

Рис. 2.1. Схематичне зображення термоелектричних модулів: (а) модуль охолодження, (б) модуль генерування електроенергі

Елемент Пельтьє складається з послідовно з'єднаних напівпровідників р- і n-типу, що утворюють р-n- і n-р-переходи. Кожен з таких переходів має тепловий контакт з однинією із двох поверхонь. [6].

Коли електричний струм проходить через два різнорідні матеріали (метали або напівпровідники), один з яких має два спаї (рис. 2), то на одному спаї тепло буде поглинатися, а на іншому - виділятися. При цьому один спай охолоджується, а другий нагрівається, залежно від напрямку струму.

Нагрівання (охолодження) контакту можна розглядати з точки зору поглинання чи випромінювання енергії або ж задавати як потік електронів, що рухаються із напівпровідника у металічні електроди (і навпаки) на їх контакті, тому цей процес прийнято називати оборотним.

Під час проходження струму через елементи, тепло поглинається на контакті Т2 і виділяється на контакті T1, якщо у випадку диференційний коефіцієнт Пельтьє ΠAB - негативний. Теплота Пельтье (Q), яка поглинається на холодному спаю в одиницю часу визначається згідно виразу:

, (2.2)

Термоелектричний генератор працює на різниці двох температур, і подібно, як теплова машина, перетворює теплову енергію в електричну енергію. Коефіцієнт перетворення приладу (відношення електроенергії, що виробляється, до теплоти, поглинутої на гарячому спаі) можна виразити у термінах ефективності Карно:

, (2.3)

де електрична потужність задається, як (R0 - опір навантаження).

Тепловий потік на гарячій стороні складається із трьох компонентів: теплового потоку через термоелектричний матеріал, який визначається теплопровідністю матеріалу поглинання тепла на гарячій стороні переходу, що визначається через коефіцієнт Пельтьє Π = S·Th, та тепло, яке надходить на гарячу сторону термоелектричного матеріалу у вигляді тепла Джоуля I2R, (4) з припущенням, що половина цього тепла виділяється на гарячій стороні, а половина на холодну сторону модуля. Опір самих термоелектричних матеріалів тут R.

, (2.4)

Ще в середині XX-го століття академік А.Ф. Іоффе показав, що для термоелемента, який складається з двох гілок, виготовлених із однорідних термоелектричних матеріалів, властивості яких не залежать від температури, коефіцієнт корисної дії (ККД) визначається згідно виразу :

, (2.5)

де Т1 - температура гарячої сторони термоелемента, Т2 - температура холодної сторони, . Величина Z залежить від властивостей матеріалу віток термоелемента:

, (2.6)

, , (2.7)

У цих виразах Sn, Sp - коефіцієнти термо-ерс матеріалів n- та р-типу провідності, σn, σp - їх коефіцієнти електропровідності κn, κp - коефіцієнти теплопровідності.

Таким чином, ККД, окрім традиційного ККД циклу Карно , визначається добротністю термоелектричних матеріалів Zn і Zp.

Якщо термоелемент складається з різних матеріалів, то для кожної секції струм І може відрізнятися від оптимального внаслідок стрибкоподібної зміни властивостей матеріалу від секції до секції. У цьому випадку, ККД термоелектричної вітки ην можна визначити за формулою:

, (2.8)

де, втрата ефективності через неузгодження матеріалів секцій визначається:

, (2.9)

У (9) , , Z - середнє значення абсолютної добротності матеріалу вітки,  - середня температура вітки.

Оптимальне значення струму Iопт для ділянки вітки термоелемента dX враховує взаємозв’язок градієнта температури dT/dX з властивостями матеріалу [8]:

, (2.10)

Де,  - переріз вітки [4].

Для об’єктивної оцінки ефективності використання котлів і теплогенераторів на основі існуючих характеристик визначено три показники [9]:

, (2.11)

, (2.12)

, (2.13)

Втрата тепла (Qв) переважно залежить від таких факторів:

·        конструктивних особливостей поверхонь нагрівання і теплоізоляції;

·        виду палива і температурного рівня теплоносіїв, що контактують з внутрішньою поверхнею теплоізоляції;

·        температури повітря в приміщенні та середовищі, де встановлений котел;

·        стану і якості теплоізоляції.

Принциповою перевагою термоелектричних перетворювачів енергії є можливість їх функціонування за невеликих перепадів температури. Це дає змогу застосовувати їх для використання відновлювальних джерел низько потенційного тепла: перепадів температури в океані, в повітрі та між повітрям і поверхнею ґрунту тощо.

Також до переваг пристроїв на основі елементів Пельтьє відносяться:

·  відсутність рухомих частин; це робить термоелектричні елементи високонадійними пристроями;

·        не потрібно регулярно міняти холодоагент (заряджати фреоном);

·        простота в експлуатації і в ремонті (немає систем високого тиску);

·        можливість точного регулювання температурного режиму;

·        екологічність; термоелектричні пристрої не містять отруйних хладагентів (фреонів, як у компресійних холодильниках, або аміаку, як в адсорбційних холодильниках).

·        легкість переходу з режиму охолодження в режим нагрівання [6].

Проте, попри всі переваги, термоелектричні генератори на сьогодні не широко використовуються у промисловості. Це зумовлено наступними факторами: невисокі відносні енергетичні показники (питома маса 10-15 кг/кВт, поверхнева густина потужності-10кВт/м2 (на одиницю поперечного перетину елемента), об’ємна густина потужності - 200-400кВт/м3 і порівняно низький ККД перетворення енергії (1-10 %) залежно від перепаду температури на його поверхнях.

ДОСЛІДНИЦЬКА ЧАСТИНА

Щорічне світове споживання енергії постійно зростає. Поряд з тим збільшується чисельність населення, підвищується економічний розвиток у світі, що в перспективі виллється у ще більші енергетичні затрати [1]. Все це, а також загроза глобальної зміни клімату, ставлять нові виклики, які визначать енергетику як пріоритетну основу сьогодення: пошук нових, екологічно чистих та поновлюваних перспективних джерел енергії.

У зв’язку з виявленням властивостей і параметрів генерування електричної енергії з теплових викидів, ми поставили перед собою мету: Дослідити вплив температурних режимів роботи на електроенергетичні характеристики термоелектричного перетворювача Пельтьє, визначити режими генерування електричної енергії, шляхом створення експериментально-дослідної установки та імітаційного моделювання, для оцінки перспектив використання їх у когенераційних автономних джерелах електричної енергії на базі теплогенераторів.

Для проведення експериментальних досліджень нами створено лабораторну установку, до складу якої входять: елементи Пельтьє, розташовані між двома алюмінієвими тепловідводами (радіаторами), нагрівач та охолоджувач із джерелами живлення, цифрові вимірювальні засоби (мультиметри) для вимірювання температур гарячої та холодної поверхонь, напруги (ЕРС) та сили струму навантаження, анемометр для вимірювання швидкості руху повітря, відцентровий вентилятор з регульованою продуктивністю, теплоізоляційні матеріали та термопаста.

Елемент Пельтьє, що використовується в досліджуваній установці (рис. 2.2) із такими заявленими (від виробника) характеристиками для режиму охолодження (див. табл. 1).

За допомогою вольтметра та амперметра вимірювались параметри електричного струму, що генерується елементом Пельтьє, і за цими параметрами розраховувалась вихідна потужність. Температуру вимірювали за допомогою термопар, під’єднаних до мультиметрів.

За результатами експериментальних досліджень проведено статистичну обробку даних та побудовано графічні залежності термо-ерс від різниці температур на поверхнях модуля Пельтьє (рис.2.3).

Рис . 2.3 Залежність напруги від різниці температур на поверхнях

На початковому етапі ми взяли алюмінієву пластину, на якій розташували елементи Пельтьє, у строгому порядку та відстані, використовуючи термопасту.

Для покращення тепловіддачі по периметру пластини розмістили ізоляційний матеріал та алюмінієві повітряні радіатори на холодній стороні електрогенеруючих елементів, що скріплювалися за допомогою болів та гайок, кількість таких пластин - 4

Після чого, 4 таких модулі були скріплену у єдину конструкцію, а проводи від досліджуваних елементів Пельтьє, спаяні у електричне коло від якого отримуємо електроенергію.

Для наближення установки до реальних умов, перед нами постала проблема джерела нагрівання, яка була вирішена шляхом імітування нагрівника за допомогою газового балона і розміщеного в ньому спіралей розжарювання. Дана конструкція, дала можливість отримати гаряче середовище з температурою понад 150 оС, що дозволило забезпечити велику різницю температур на поверхнях елементів Пельтьє.

Під час дослідженя ефективності роботи елементів Пельтьє, нами досягнуто таких результатів: температура на гарячій стороні елемента становила 110 оС, на холодній - 40 оС. Різниця температур між холодною та гарячою поверхнями елемента склала - 70 оС, що забезпечило можливість отримати електричну енергію потужністю 55 Вт.

За результатами імітаційного моделювання та лабораторного дослідження поданий патент на винахід "Спосіб термоелектричного відбору енергії у біотеплогенераторах" який проходить експертну перевірку (Додаток А)

ВІЗУАЛІЗАЦІЯ

З метою подальшого дослідження та підтвердження даних, отриманих під час експериментальних досліджень, нами в середовищі Simulink (Matlab) розроблено імітаційну математичну модель когенераційної установки на базі біотеплогенератора (рис.5). В її структуру входять:

         імітаційна модель підсистеми елемента Пельтьє (Peltier);

         імітаційна модель біокотла (Biokotel);

         підсистема охолодження з вентилятором (Vent_2);

         підсистема шнека та вентилятора для забезпечення процесу горіння (Shnek, Vent_1);

         підсистеми перетворювачів (3f-PWM1, 3f-PWM2, 3f-PWM3);

         підсистема контролю (Control System);

         підсистема інвертора (Inverter);

         батарея живлення (Bat);

         пристрої вимірювання вхідних та вихідних даних (Scope, Display);

         навантаження з комутаційним пристроєм (Load).

Під час розробки моделі використано загальні блоки бібліотек Simulink та Simscape підкатегорій Electrical, Physical Signals, Thermal.

Модель елемента Пельтьє реалізує підсистему елементів із врахуванням їхніх загальних мас, теплоємностей, площ та товщин стінок, їхньої теплопровідності та інших фізичних характеристик, визначених під час аналітичного дослідження. Вхідні параметри блоку - теплові характеристики, вихідні - електричні. Створена модель елемента Пельтьє є оборотною: електричні характеристики можуть бути вхідними, тоді на виході відображатимуться теплові показники роботи моделі.

Рис. 2.8. Структура імітаційної моделі когенераційної установки

У підсистемі "Biokotel" задаються теплотехнічні характеристики установки, теплопровідність, тощо. загальну масу конструкції. На вході блоку встановлюється необхідна кількість повітря та біопалива, що подається вентилятором (Vent_1) і шнеком (Shnek) відповідно. Продуктивності вентилятора та шнека задаються в умовних одиницях (відсотках) відносно номінальної. На виході блоку визначаються наступні параметри: теплова потужность, температура теплоносія, коонсентрація кисню (у відсотках) в продуктах згоряння та загальна кількість теплоти у біокотлі, яка подається на "гарячу" сторону підсистеми елементів Пельтьє. Із "холодної" сторони підсистеми елементів Пельтьє відбирається відповідна кількість теплоти підсистемою охолодження (Vent_2).

Підсистеми перетворювачів дозволяють: задавати необхідні режими роботи двигунів, вентеляторів та шнека впродож усього часу роботи, а також, отримати та відстежити за допомогою спеціальних блоків (Scope) значення напруг та частоти установки.

Підсистема контролю регулює режими роботи установки залежно від величини напруги термоелементів, теплоносія вихідної температури та концентрації кисню: у випадку збільшення напруги, зменшується кількість обертів вентилятора системи охолодження (Vent_2), а тому підвищується температура на "холодній" стороні елементів Пельтьє; в свою чергу кількість обертів першого вентилятора (Vent_1) також зменшується, за рахунок чого знижується теплова потужність біокотла.

Підсистема інвертора перетворює постійний струм у змінний. На вхід інвертора подається напруга з підсистеми елементів Пельтьє, а також з батареї. На виході одержується трифазний струм, а також загальні значення сили струму, напруги та потужності на споживачі. Батарея живлення використовується спершу для старту роботи установки, а потім заряджається згенерованою електроенергією.

У процесі моделювання поточні параметри роботи установки відображаються у блоках Display (рис.2.9). Графічне представлення зміни в часі окремих характеристик установки здійснюється за допомогою блоків Scope (рис.7-рис.8).

Рис. 2.9. Значення параметрів установки після завершення моделювання

В усталеному режимі отримуємо: продуктивність вентилятора, що подає повітря на біокотел вентилятора - становить 57%, шнеком - 52%. Температура теплоносія на виході установки становить 150 °С, теплова потужність котла 105 кВт. Температура на "холодній" стороні підсистеми елементів Пельтьє становить 46,7 °С.

Ємність батареї становить 100 Ah, напруга - 26,5 В, а сила струму набуває значення -4,3 А, що свідчить про процес зарядження в даний момент часу.

Значення сили струму, напруги та потужності на виході ТЕГ становлять 87,1 А, 48 В та 4 кВт відповідно. Коефіцієнт корисної дії установки - 4%.

Графічне представлення зміни напруги та частоти на перетворювачах у перехідних та усталеному режимах відображено на рис.2.10 (а,б,в)

Рис. 2.10. Графіки зміни значень напруги та частоти під час роботи моделі на перетворювачах "3f-PWM1" (а), "3f-PWM2" (б) та "3f-PWM3" (в)

Зміну значення температури, що подається на "гарячу" сторону підсистеми елементів Пельтьє, а також значення теплової потужності котла та кількості кисню можна простежити на рис.     2.11.

Рис. 2.11. Графіки зміни значень температури котла, його теплової потужності і кількості кисню

Дані графіки показують, що на 150-ій секунді, значення сили струму та потужності починають збільшуватись. До того вони становили 0 А і 0 Вт. Розглянуті залежності демонструють, що саме на 150-ій секунді здійснюється підключення споживача у систему.

Рис. 2.12. Графіки зміни значень напруги, сили струму та потужності на споживачі

На основі отриманих результатів імітаційного моделювання та лабораторних досліджень, нами здійснено візуалізацію спроектованої установки.

Отож, написавши код і провівши відповідну кількість операцій з ключовими кадрами, використовуючи «Класичну анімацію руху» і бібліотеку готових символів, у програмному забезпечені Flash отримано наступний результат (рис.2.13).

Рис.2.13. Вікно проекту перед компіляцією

Останнім кроком проводимо тестування даної візуалізації Для перегляду результату потрібно використати комбінацію клавіш Ctrl+Enter

Для того, щоб запустити модель необхідно натиснути кнопку запуску, яка знаходиться у верхньому лівому кутку вікна (рис.2.14).

Рис.2.14. Кнопки запуску відеоролика

Першим візуалізується процес розряджання акумуляторної батареї та напрям руху струму до вентилятора, автоматичної системи керування та блоку керування батареєю (рис.18).

Рис.2.15. Перший етап візуалізації

Після цього загоряється технологічна біомаса у камері горіння, яка реалізовується із одночасним рухом вентилятора, що живиться від акумуляторної батареї (рис.2.16).

Рис.2.16. Другий етап візуалізації

У момент виходу котла на номінальну потужність, електрогенеруючі модулі забезпечують енергією: інвертор (DC/DC), який служить для вихідної напруги живлення вентилятора , видає напругу для підзарядки акумулятора та споживачів. (рис. 2.17).

Рис.2.17. Третій етап візуалізації

РОЗДІЛ ІІІ. Охорона праці

Сучасний рівень технічного прогресу неможливий без широкого впровадження електроустаткування, що у свою чергу викликає необхідність постійного вдосконалювання вимог до його безпечного обслуговування й засобів захисту.

Робота в області електробезпеки повинна ґрунтуватися на продуманій, чіткій, конкретній системі заходів, що забезпечує повне й точне виконання «Правил технічної експлуатації електроустановок споживачів» і «Правил безпечної експлуатації електроустановок споживачів». Особливу увагу керівники електрогосподарства повинні приділяти найсуворішому виконанню вимог зазначених Правил щодо утримування й експлуатації електричних мереж і станцій, включаючи розподільні пристрої, де за даними статистики найчастіше відбуваються нещасні випадки. Велика кількість нещасних випадків буває при обслуговуванні й ремонтах електроприводів, пускорегулюючої апаратури, електричного освітлення, зварювальних апаратів, електрифікованого транспорту, піднімально - транспортних механізмів, ручного переносного електрифікованого інструменту, а також високочастотних установок.

Електроустановки по напрузі розділяються на дві групи: напругою до 1000 В та понад 1000 В. Практика свідчить, що електротравми, як уже було сказано вище, частіше трапляються в електроустановках з напругою до 1000 В.

Більша частина нещасних випадків відбувається через низький рівень організації робіт, грубих порушень Правил, у тому числі:

Ø  Безпосереднього дотику до відкритих струмоведучих частин і проводам.

Ø  Дотику до струмоведучих частин, ізоляція яких ушкоджена.

Ø  Дотику до металевих частин устаткування, що випадково під напругою.

Ø  Торкання до струмоведучих частин за допомогою предметів з низьким опором ізоляції.

Ø  Відсутності або порушення захисного заземлення.

Ø  Помилкової подачі напруги під час ремонтів або оглядів.

Ø  Впливу електричного струму через дугу.

Ø  Впливу крокової напруги й ін.

Ø  Дія електричного струму на організм людини

Електричний струм, діючи на організм людини, може привести до різних травм: електричного удару, опіку, металізації шкіри, електричного знаку, механічного ушкодження, (табл. 3.1).

Таблиця 3.1. Характеристика впливу на людину електричного струму різної сили

Електричний удар веде до ушкодження живих тканин; Залежно від патологічних процесів, викликаних враженням електрострумом, прийнята наступна класифікація важкості електротравм при електричному ударі:

ü  електротравма I ступеня - судорожне скорочення м'язів без втрати свідомості;

ü  електротравма II ступеня - судорожне скорочення м'язів із втратою свідомості,

ü  електротравма III ступеня - втрата свідомості й порушення функцій серцевої діяльності або дихання (не виключено і те й інше);

ü  електротравма IV ступеня - клінічна смерть.

Ступінь важкості електричного враженням залежить від багатьох факторів: величини опору організму, тривалості дії, природи й частоти струму, шляхи його в організмі, умов зовнішнього середовища.

Результат електровраження залежить і від фізичного стану людини. Якщо він хворий, стомлений або перебуває в стані сп'яніння, душевної пригніченості, то дія струму особливо небезпечна. Безпечними для людини вважаються змінний струм до 10 Гц й постійний - до 50 Гц.

Електричний опік різних ступенів - наслідок коротких замикань в електроустановках і перебування тіла (як правило, рук) у сфері світлового (ультрафіолетового) і теплового (інфрачервоного) впливу електричної дуги; опіки III і IV ступеня з важким результатом - при зіткненні людини (безпосередньо або через електричну дугу) зі струмоведучими частинами напругою понад 1000 У.

Електричний знак ( позначка) - специфічне враження, викликане механічним, хімічним або їхнім спільним впливом струму. Уражена ділянка шкіри практично безболісна, довкола неї відсутні запальні процеси. Згодом вона затвердіє, і поверхневі тканини відмирають. Електрознаки звичайно швидко виліковуються.

Металізація шкіри - так зване просочування шкіри дрібними пароподібними або розплавленими частками металу під впливом механічного або хімічного впливу струму. Уражена ділянка шкіри здобуває тверду поверхню й своєрідне забарвлення. У більшості випадків металізація виліковується, не залишаючи на шкірі слідів.

Електроофтальмія - поразка очей ультрафіолетовими променями, джерелом яких є вольтова дуга. У результаті електроофтальмії через кілька годин наступає запальний процес, що проходить, якщо вжиті необхідні заходи лікування.

В умовах виробництва враження електрострумом найчастіше є наслідком того, що люди доторкаються до струмоведучих частин, що знаходиться під небезпечною напругою.

3.1 Профілактика електровражень

Електро враження людей в умовах промислового підприємства попереджаються завдяки:

технічним рішенням, що виключають можливість включення людей у ланцюг струму між двома фазами або між однією фазою й землею, способом, при якому струмоведучі частини, що нормально перебувають під напругою, недоступні для випадкового дотику. Це забезпечується надійною ізоляцією, огородженням, розташуванням їх на недоступній висоті або під землею, блокуваннями й іншими способами;

зняттю напруги зі струмоведучих частин під час робіт, при яких не виключена можливість дотику до них;

устроями автоматичного відключення, що забезпечує у випадку ушкодження ізоляції й переходу напруги на металеві частини електроустановок обмеження напруги по величині або відключення несправного обладнання й апаратури;

застосуванню в електро установках безпечної напруги залежно від умов, у яких вони експлуатуються;

правильному вибору виробничого середовища. При цьому варто мати на увазі, що волога, вогкість, струмопровідний пил, їдкі пари й гази ( що ведуть до руйнування ізоляції), висока температура повітря, струмопровідні підлоги (металеві, земляні, залізобетонні й т.п.). наявність великої кількості заземленого металевого обладнання підвищують небезпеку електричних установок.

Нижче розглядаються способи захисту людей від поразки електричним струмом у випадку виникнення напруги на обладнанні, що не перебуває під напругою.

Захисне заземлення. Так називається навмисна електричне з'єднання обладнання із землею за допомогою заземлювачів (мал. 3). Воно виконується з метою зниження напруги до безпечного. Відповідно до Правил опір захисного заземлення не повинне перевищувати 4 Ом.

Таким чином, при дотику до корпуса обладнання під напругою, людина включається паралельно в ланцюг струму. Але в цьому випадку завдяки невеликому опору заземлювачів через людину буде проходити струм безпечної величини.

Заземленню підлягають: корпуси електричних машин, трансформаторів, апаратів, світильників; приводи електричних апаратів; вторинні обмотки вимірювальних трансформаторів; каркаси розподільних щитів керування, щитків і шафи; металеві конструкції розподільних пристроїв, металеві кабельні конструкції, металеві корпуси кабельних муфт; металеві оболонки й броні контрольних і силових кабелів, проводів; сталеві труби електропроводки й інші металеві конструкції, пов'язані з установкою електроустаткування; арматури світильників, металеві корпуси пересувних і переносних електроприймачів і ін.

3.2    Надання першої допомоги особам, що постраждали від електричного струму

Той, хто надає допомогу повинен насамперед звільнити потерпілого від дії на нього струму, потім від одягу, що стискує подих (розстебнути комір, пояс), оглянути порожнину рота, видалити вставні щелепи, якщо вони є, слиз і негайно приступитися до надання першої допомоги. Якщо в цьому може взяти участь не один, а кілька людей, то всі заходи щодо звільнення потерпілого від струму й наданню йому допомоги повинні виконуватися чітко, по вказівках однієї особи - старшого за посадою й найбільш досвідченого працівника. При цьому одночасно із зазначеними вище заходами особи, що не беруть участь у наданні допомоги потерпілому, повинні негайно:. викликати лікаря медсанчастини підприємства або швидку допомогу;. сповістити про подію начальника зміни електроцеху;. видалити з місця надання допомоги сторонніх;. створити максимальне освітлення, а також приплив свіжоro повітря.

Звільнення потерпілого від впливу на нього електроструму. У випадку, якщо потерпілий після поразки струмом усе ще доторкається до струмоведучих частин, необхідно якнайшвидше звільнити його від них. Якщо потерпілий перебуває на висоті й може при цьому впасти, треба вжити заходів попередження падіння або, якщо це неминуче, забезпечити його безпеку. Якщо напруга швидко відключити не можна, потерпілого відокремлюють від джерела струму такими способами.

При напрузі до 1000 В. Використати тільки сухі предмети й обов'язково непровідники: ціпки, дошки, мотузки, Той, хто відокремлює потерпілого від струмоведучих частин, повинен ізолювати себе діелектричними рукавичками або калошами. Не можна, намагаючись у такий спосіб відтягнути потерпілого, торкатися навколишніх металевих предметів. При необхідності варто перерубати або перерізувати проведення (кожний окремо) сокирою із сухою дерев'яною ручкою або інструментом з ізольованими рукоятками.

При напрузі понад 1000 В. Необхідно надягти боти, рукавички й відокремити потерпілого від джерела електровраження за допомогою. ізолюючих штанг або кліщів, що відповідають напрузі.

У всіх випадках незалежно від стану потерпілого, на місце події обов'язково повинні бути негайно викликані медпрацівники, які нададуть потерпілому першу допомогу й ухвалять рішення щодо його лікуванню.

Якщо з якоїсь причини лікар або інший медичний працівник відсутні, потерпілому без зволікання надається перша допомога

Перша медична допомога потерпілому.

Небезпека поразки електричним струмом полягає в порушенні діяльності дихальних органів і серцево-судинної системи. Зазначеним порушенням організму людини можна запобігти своєчасною допомогою.

необхідно :

укласти потерпілого на спину на тверду поверхню;

перевірити наявність у постраждалого подиху (визначити по підйому грудної клітки, запотіванню дзеркала та ін.);

перевірити наявність пульсу на променевій стороні в зап'ястя або на сонній артерії на переднєбоковій поверхні шиї;

з'ясувати стан зіниці, широка зіниця вказує на різке погіршення кровопостачання мозку;

виклик лікаря по телефону 103 у всіх випадках обов'язковий.

Якщо потерпілий перебуває у свідомості після непритомності, його слід укласти в зручне положення, накрити одягом, забезпечити повний спокій, безупинно спостерігаючи за подихом і пульсом.

Якщо потерпілий перебуває в несвідомому стані, але зі стійким подихом і пульсом, його потрібно рівно й зручно укласти, розстебнути одяг, створити приплив свіжого повітря, піднести до носа ватку з нашатирним спиртом, обляпати обличчя водою й забезпечити повний спокій. Якщо потерпілий погано дихає (дуже рідко й судорожно), йому слід робити штучне дихання й масаж серця.

При відсутності ознак життя не можна вважати постраждалого мертвим, тому що смерть буває гаданою. Штучне дихання слід проводити безупинно до прибуття лікаря. Першу допомогу потрібно надавати негайно й по можливості на місці події. З моменту зупинки серця повинно пройти не більш 3-5 хв.

Спосіб штучного дихання полягає в тому, що той хто надає допомогу робить видих зі своїх легенів у легені постраждалого безпосередньо в рот. Потерпілого укладають на спину, розкривають рот, видаляють із рота сторонні предмети, закидають голову постраждалого назад, поклавши під потилицю одну руку, а другою рукою надавити на чоло потерпілого, щоб підборіддя опинилося на одній лінії із шиєю. Уставши на коліна потрібно із силою вдихнути повітря в рот потерпілого через марлю або носову хустку, закривши йому ніс. Вдих продовжувати 5-6 сек., або 10-12 раз у хвилину. Грудна клітка постраждалого повинна розширюватися, а після звільнення рота й носа самостійно опускатися. При поновленні самостійного подиху якийсь час слід продовжувати штучне дихання до повної свідомості потерпілого. Необхідно уникати надмірного здавлювання грудної клітки через можливість перелому ребер. Одночасно потрібно проводити зовнішній масаж серця при відсутності пульсу.

Зовнішній (непрямий) масаж серця проводиться шляхом ритмічних стиснень серця через передню стінку грудної клітки при натисненні на нижню частину грудини. Повторюючи натиснення частотою 60-70 раз у хвилину. Той що надає допомогу, визначивши нижню третину грудини, повинен покласти на неї верхній край долоні, зверху покласти другу руку й надавлювати на грудну клітку потерпілого, злегка допомагаючи нахилом свого корпуса. Натиснення слід робити швидким поштовхом так.

Щоб просунути на 3-4 см нижню частину грудини убік хребта, а в повних людей - на 5-6 см.

Через кожні 5-6 натиснень - одне вдмухування. Якщо надає допомогу одна людина, слід чергувати після 2 глибоких вдмухувань - 10-12 натиснень для масажу серця.

При правильному проведенні штучного дихання й масажу серця в потерпілого з'являються наступні

ознаки пожвавлення:

поліпшення кольору обличчя

поява самостійного подиху усе більш рівномірного

звуження зіниць

поява самостійного пульсу.

Після появи ознак пожвавлення масаж і вдмухування повинні тривати ще 5 - 10 хвилин у такт власному вдиху постраждалого

ВИСНОВКИ

На сьогоднішній день для будь-якої автомобільної компанії, або ж компанії що працює у сфері сервісу чи виробництва, пріоритетом внутрішньої політики стає енергозбереження. І справа тут навіть не стільки в екологічних вимогах, скільки в цілком прагматичному економічному факторі.

У ході досліджень нам вдалося досягнути таких результатів:

.        На основі проведеного аналітичного огляду було встановлено, що термоелектрична когенерація є одним із перспективних, а в деяких випадках єдино доступним джерелом перетворення теплової енергії в електричну. Недоліком цих пристроїв на сьогодні є їх низька ефективність - ККД від 3 до 8 %. Проте, зараз вже існують розробки таких ТЕГ, коефіцієнт корисної дії яких сягає 15%. Тому, такий прогрес створює перспективи їх застосування у термоелектричних когенераційних установках.

.        Розглянуто будову та принципи роботи теплогнераторів і термоелементів: проаналізовано, методи використання їх на автомобілях з метою підвищення ефективності транспортних структур.

.        Доведено: адекватність роботи термоелектричних перетворювачів, можливість використання модулів Пельтьє в якості термоелектричної генеруючої установки, що дозволяє економити паливо автомобіля, та паралельно виробляти електричну енергію із теплових викидів необхідну для: підігріву сидіння, функціонування компактних автомобільних холодильників, забезпечення роботою клімат-контролю кондиціонера.

.        Для проведення експериментальних досліджень нами створено лабораторну установку, на якій проводилися дослідженя ефективності роботи елементів Пельтьє. Зокрема, нам вдалося досягнути таких результатів: температура на гарячій стороні елемента становила 110 оС, на холодній - 40 оС. Отримана дельта різниці температур, на поверхнях досліджуваного об’єкта, дала можливість отримати електричну енергію потужністю 55 Вт.

.        Дані отримані від імітаційного моделювання елемента Пельтьє у середовищі Simulink довели адекватність створеної моделі. Похибка моделювання не перевищувала 5 % у порівнянні із отриманими експериментальними даними. Ця модель може бути використана для подальших досліджень та розробок автономних систем енергозабезпечення.

.        У результаті імітаційного моделювання та лабораторних досліджень, нами здійснено візуалізацію спроектованої установки з використанням елемента Пельтьє у підсистемі «Biokotel».

.        На завершальному етапі дипломної роботи нами створено стенд для дослідження робочих характеристик електрогенеруючих модулів, та показано можливості його застосування в транспортних структурах.

СПИСОК ВИКОРИСТАНХ ДЖЕРЕЛ

1.   Basic Research Needs for Solar Energy Utilization, Report of the Basic Energy Sciences Workshop on Solar Energy Utilization, USA: DOE, April 18−21, 2005.

2.      Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы / А. Ф. Иофее. - Л.: АН СССР, 1960. - 188 c.

.        Фреїк Д. М. Досягнення і проблеми термоелектрики // Д. М. Фреїк, Л. І. Никируй, М. О. Галущак, Г. Д. Матеїк. Фізика і хімія твердого тіла. - 2012. - № 2. - С.297-318.

.        Фреїк Д. М. Досягнення і проблеми термоелектрики ІІ. Основні положення теорії термоелектричних явищ (Огляд) // Д. М. Фреїк, Л. І. Никируй, О. С. Криницький. Фізика і хімія твердого тіла. - 2012. - № 3. - С. 574-585.

.        Шостаковский П. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания // П. Шостаковский. Новые технологии, 12. - 2010. - С. 131-138.

.        Дьяченко Д. Ю. Исследование эффекта Пельтье и его практическое проведение // Д. Ю. Дьяченко, С. С. Чернов. Сибирский федеральный університет, политехнический институт.

.        Головко А. В. Устройство для теплотехнических измерений и испытаний на основе элемента Пельтье // А. В. Головко, В. А. Середюк. ІХ Международная научная конференция студентов и молодых ученых "Наука и образование - 2014". - С. 4793-4797.

.        Марчак І. І. Вплив різних факторів на втрату тепла в навколишнє середовище потужними водогрійними котлами // І. І. Марчак, Й. С. Мисак, Я. Ф. Івасик, Н. М. Лашковська, О. Г. Цепак. Научно-технический сборник №49. - 2003. - С. 14-20.

.        Загородній Р. І. Особливості експлуатації твердопаливних теплогенераторів // Р. І. Загородній, 2011. - [Електронний ресурс]. Режим доступу: #"882007.files/image053.gif">

Рис.1. Принципова схема термоелектричного модуля (ТЕМ) Пельтьє

Термоелектричний модуль (Елемент Пельтьє) являє собою сукупність термопар, електрично зьєднаних, як правило, послідовно. У стандартному термоелектричних модулів термопари поміщаються між двох плоских керамічних пластин на основі оксиду або нітриду алюмінію. Кількість термопар може змінюватися в широких межах - від одиниць до сотень пар, що дозволяє створювати ТЕМ практично будь холодильної потужності - від десятих часток до сотень ват. При проходженні через термоелектричний модуль постійного електричного струму між його сторонами утворюється перепад температур-одна сторона (холодна) охолоджується, а інша (гаряча) нагрівається. Якщо з гарячою боку ТЕМ забезпечити ефективне відведення тепла, наприклад, за допомогою радіатора, то на холодній стороні можна отримати температуру, яка буде на десятки градусів нижче температури навколишнього середовища. Ступінь охолодження буде пропорційною величиною струму. При зміні полярності струму гаряча і холодна сторони міняються місцями.

Порядок виконання роботи.

1.      Перевірити положення вимикачів i автотрансформатора ( рис.2 ): вимикачі 7, 12 у лівому положенні, автотрансформатор на "О".

Рис. 2 Електричне коло

2.      Ознайомитись з порядком роботи цифрового вольтметра ( інструкція на робочому мiсцi ).

3.      Підготувати таблицю градуювання термопари

Таблиця 1. Градуювання термопари

4.      Увімкнути автотрансформатор (ЛАТР) у розетку змінного струму і, регулюючи ним напругу на нагрівачі, поступово підвищувати температуру.

5.      Виміряти i записати і - порядковий номер виміру ( через кожні 10 градусів від кімнатної температури до 160 0С.

.        Побудувати графік  ( суцільна лінія ).

.        Для усix значень різниці температур Т2 - Т1 визначити дійсні значення термоЕРС. взяти з таблиці, що є на робочому місці.

.        Побудувати в одній координатній площині графіки залежностей суцільною лінією і  пунктирною лінією.

.        На основі двох одержаних графіків визначити середнє значення абсолютної похибки градуювання термопари.

.        Визначити питому термо ЕРС  для двох крайніх і середньої точки графіка ( за п.6 ).

.        Встановити ручку ЛАТРа на "О" i вимкнути його з розетки.

.        Увімкнути елемент Пельтьє в коло постійного струму i встановити реостатом вказані на робочому місці струми. Виміряти термо ЕРС на контактах 5, 6, перемикаючи термопари вимикачем 8. Визначити різницю термо ЕРС, і за таблицею, що знаходиться на робочому місці, визначити значення різниці температур контактів.

Додаткові параметри і формули

.        Теплота Пельтье (Q), яка поглинається на холодному спаю в одиницю часу визначається згідно виразу:

dQ/dt =Пав - І = (Па - Пв)І; (А.1)

де, Па та Пв - коефіцієнти Пельтьє матеріалів.

.        Тепло Пельтьє пропорційне силі струму і може бути виражено формулою:

п = П • q (А.2)

де q - заряд пройшов через контакт, П - так званий коефіцієнт Пельтьє, який залежить від природи контактуючих матеріалів та їх температури.

.        Коефіцієнт Пельтьє може бути виражений через коефіцієнт Томпсона:

П = T (А.3)

де  - коефіцієнт Томпсона, Т - абсолютна температура.

.        Головна характеристика термоелектричного охолоджуючого пристрою - це ефективність охолодження:

Z = a2 / (RL), (А.

)де - коефіцієнт термоерс;- питомий опір;- питома теплопровідність напівпровідника.

.        Розмірність коефіцієнта Пельтьє [П] СІ = Дж / Кл = В

Контрольні запитання

1.      Поясніть причину виникнення контактної різниці потенціалів?

2.      У чому суть термоелектричних явищ?

.        Як залежить термоЕРС від температури?

.        Які переваги при вимірюванні температури за допомогою термопари?

Додаток Б

ПАТЕНТ НА ВИНАХІД

МПК H01L35/28

Спосіб термоелектричного відбору енергії у біотеплогенераторах

Винахід відноситься до галузі енергетики і може бути використаний у процесі проектування твердопаливних котлів для комбінованого виробництва теплової та електричної енергії з метою забезпечення автономної роботи теплогенератора.

Формула винаходу

Спосіб термоелектричного відбору енергії у біотеплогенераторах, що базується на перетворенні теплової енергії теплогенераторів у електричну, який відрізняється тим, що термоелектричні генератори встановлені на димову трубу теплогенератора, що дозволяє використовувати теплові викиди (відходи), рекуперуючи їх у електричну енергію. Крім того за допомогою автоматичної системи керування здійснюється контроль температури гарячої сторони термоелементів, що не допускає її перевищення більше 150 оС шляхом зміни положення дросельної заслінки.

Проректор з наукової роботи                         Б.Б. Буяк

Автори:

В.С. Федорейко

Р.І. Загородній

В.М. Шульга

В. П. Мартинів

Н. М. Вовк

Спосіб термоелектричного відбору енергії у біотеплогенераторах