Дипломная (вкр): Підвищення ефективності транспортних структур за допомогою термоелектричних перетворювачів

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