Розроблення та дослідження моделі термоелектричного генератора
Автор: Войтович Софія Юріївна
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Інформаційні технології проектування
Інститут: Інститут комп'ютерних наук та інформаційних технологій
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2022-2023 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Войтович С.І., Климкович Т.А. (керівник). Розроблення та дослідження моделі термоелектричного генератора. Maricrepcька кваліфікаційна po6oта. – Національний університет «Львіська політехніка», Львів, 2022. Розширена анотація Через використання викопного палива дефіцит енергії та шкідливі для навколишнього середовища викиди стали глобальними проблемами в останні роки, і багато країн почали проводити політику щодо скорочення використання викопної енергії та сприяння розвитку екологічних альтернативних технологій отримання енергії. Одним із можливих способів є перетворення теплової енергії безпосередньо в електрику за допомогою певних напівпровідників, таких як термоелектричні генератори, які не потребують жодного проміжного блоку перетворення енергії. Виробництво термоелектричної енергії вважається перспективною альтернативною технологією перетворення енергії завдяки її суттєвим перевагам: відсутність рухомих частин, відсутність забруднення, тиха робота, відсутність витрат на обслуговування та тривалий термін служби [1–3]. Цей контекст пояснює зростаючий інтерес до термоелектричних генераторів. Сьогодні вони дозволяють нам збирати втрачену теплову енергію, виробляти енергію в екстремальних умовах, виробляти електроенергію у віддалених районах та мікропродукцію для датчиків [4]. Мета і задачі дослідження. Хоча за останні роки було досягнуто значного прогресу у розробленні та застосуванні термоелектричних генераторів, ще є багато проблем які потребують дослідження. Для пришвидшення та здешевлення процесу розроблення нових пристроїв можна застосувати математичне моделювання. З цією метою планується розробити у інтерактивному середовищі COMSOL Multiphysics модель термоелектричного генератора та провести його дослідження для підбору його оптимальних розмірів та конфігурації. Об’єкт дослідження – термоелектричні вища. Предмет дослідження – модель термоелектричного генератора, побудована у середовищі COMSOL Multiphysics. Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено нову модель термоелектричного генератора, яка дозволяє дослідити процес перетворення теплової енергії в електричну та • підібрати розміри та конфігурацію термоелектричного генератора; • оцінити величину електричного струму, який буде згенеровано при вказаних пристрою. Практичне значення одержаних результатів. Розроблену модель термоелектричного генератора можна застосовувати для підбору оптимальних розмірів та конфігурації реальних пристроїв. Впровадження такої моделі у виробництво може значно пришвидшити та здешевити виробництво термоелектричних генераторів. Дана коротка характеристика термоелектричних ефектів, а саме ефекту Зеєбека , ефекту Пельтьє та ефекту Томсона та області їх застосування. Наведено повні термоелектричні рівняння, які також включаючи ефекти Джоулевого нагрівання та звичайної теплопровідності. Вказано на переваги моделювання та імітації термогенаторів при їх проектуванні та розробленні, а саме економія коштів та часу, можливість дослідження складних систем та взаємодій, які не є лінійними чи інтуїтивно зрозумілими, кращий дизайн продукту. Для побудови математичних моделей було використано середовище COMSOL Multiphysics, а саме вбудовані інтерфейси поширення тепла у твердому тілі та електричні струми. Для поєднання цих процесів використовувався інтерфейс мультифізики термоелектрисний ефект. Розроблено геометрію термоелектричної ніжки, термопари та термоелектричного пристрою, який складається з 37 термоелектричних ніжок, описано основні параметри матеріалів (телуриду вісмуту Bi2Te3 p-типу та телуриду вісмуту Bi2Te3 n-типу), які використовуються для їх моделювання та побудована математична модель. Наведено результати моделювання термоелектричної ніжки, термопари та термоелектричного пристрою, а саме розподіл температур та електричного потенціалу. Відзначено, що отримані результати узгоджуються з літературними джерелами Проведено дослідження залежності електричного потенціалу від температури, кількості термоелектричних ніжок, їх висоти, товщини шарів міді та олова. На основі цих досліджень можна зробити висновок, що для збільшення електричного потенціалу необхідно збільшувати градієнт температури або кількість термоелектричних ніжок. Ключові слова – термоелектричний генератор, термоелектричні ефекти, ефект Зеєбека , ефект Пельтьє та ефект Томсона, моделювання, COMSOL Multiphysics ? Перелік використаних джерел. 1. Mamu H., Dilmac F.O., Begum., Ruhul V., Bhuiyan F. Thermoelectric generators act as renewable energy sources // Cleaner Materials, 2 (2021). https://doi.org/10.1016/j.clema.2021.100030 2. Zoui M.A., Bentouba S., StocholmJ.G. and Bourouis M. A Review on Thermoelectric Generators: Progress and Applications // Energies 2020, 13, 3606; doi:10.3390/en13143606 3. Hendricks N., Caillat T. and Mori T. Keynote Review of Latest Advances in Thermoelectric Generation Materials, Devices, and Technologies 2022 // Energies 2022, 15(19), 7307; https://doi.org/10.3390/en15197307 4. Champier D., Thermoelectric Generators: A Review of Present and Future Applicationsin // 3rd International Congress on Energy Efficiency and Energy Related Materials (ENEFM2015)(2017), pp. 167–181.