Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0016

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0016
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Разработка методов моделирования теплофизических свойств термоэлектрических материалов и структур и создание эффективных термоэлектрических тепловых насосов для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии
Докладчик
Шерченков Алексей Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание эффективных термоэлектрических тепловых насосов (ТН), преобразующих геотермальную тепловую энергию с целью отопления и кондиционирования зданий и сооружений.
Для достижения поставленной цели в процессе выполнения проекта необходимо решение следующих задач.
Работка методов моделирования теплового расширения анизотропных кристаллов. Разработка методики и изготовление измерительного аппаратно-программного комплекса для проведения исследований линейного теплового расширения материалов. Исследование температурной зависимости ТКЛР твердых растворов на основе Bi2Te3.
Разработка метода определения коэффициента преобразования (КП) термоэлектрических тепловых насосов (ТТН) при различных режимах их эксплуатации. Разработка и изготовление аппаратно-программного измерительного комплекса для исследования основных параметров ТН.
Разработка технологии герметизации термоэлектрических модулей. Изготовление и испытание экспериментальных образцов герметичных модулей. Разработка и изготовление измерительного комплекса для исследований термоэлектрических устройств.
Моделирование и расчет термоэлектрических блоков для ТН. Изготовление и испытание экспериментального образца термоэлектрического блока.
Разработка, изготовление и испытание макета и экспериментального образца ТН. Разработка и изготовление измерительного аппаратно-программного комплекса для испытаний ТН в составе различных схем построения систем отопления.
Актуальность и новизна исследования
Одной из важнейших задач в области энергосбережения является использование возобновляемых низкопотенциальных источников энергии для отопления и кондиционирования. По прогнозам Мирового Энергетического Комитета (МИРЭК) к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении должна составить 75 %.
В данной работе предложено новое конструкционно-технологическое решение ТН, работающего на эффекте Пельтье. Термоэлектрические устройства (ТЭУ) обладают рядом достоинств по сравнению с другими системами регулирования температуры: высокой надежностью, практически неограниченным ресурсом работы, небольшими габаритами и весом, возможностью плавного и точного регулирования температуры. При использовании ТТН возможно оперативно переходить от режима отопления к режиму кондиционирования. Кроме того, высокая экологичность, увеличивают конкурентоспособность ТТН по сравнению с другими типами ТН.
Таким образом, разработка ТТН является актуальной научно-технической задачей, решение которой имеет существенное значение для развития термоэлектрического приборостроения и позволяет значительно расширить области и эффективность применения термоэлектрического оборудования.
Новизна результатов работы заключатся в использовании комплексного, научно-обоснованного подхода к разработке методов моделирования и исследования теплофизических свойств термоэлектрических материалов и структур и создании на основе полученных данных эффективных ТТН для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии.
Описание исследования

В процессе исследований в рамках данного проекта использовано современное уникальное технологическое оборудование, а также высококлассные измерительные приборы и аналитическое оборудование. Кроме того исполнителями проекта разработаны методики и оригинальные аппаратно-программные комплексы для исследования термоэлектрических устройств и оборудования.

Разработаны новые методы термодинамического моделирования теплового расширения анизотропных кристаллов по правилу Вегарда и на основе соотношений, устанавливающего взаимосвязь между коэффициентом термического расширения кристалла и теплоемкостью. С помощью указанных методов проведен расчет ТКЛР термоэлектрических материалов вдоль основных кристаллографических осей.

Разработана методика и изготовлен измерительный аппаратно-программный комплекс для проведения экспериментальных исследований линейного теплового расширения материалов в интервале температур от минус 60 °С до 400 °С. Относительная погрешность измерений данной методики не превышает 3%. Погрешность измерений подтверждена проведением тестовых исследований на эталонных мерах ТКЛР.

Разработан оригинальный метод и математическая модель для определения линейных размеров ТЭУ при изменении температуры, позволяющие оптимизировать конструкцию и технологию сборки термоэлектрических блоков, работающих в условиях многократного термоциклирования и используемых в ТН.

Разработаны методы расчета влияния герметизации на основные параметры термоэлектрических модулей. Проведен расчет изменения разности температур и холодопроизводительности при герметизации термоэлектрических модулей по разработанной технологии.

Разработан метод определения коэффициента преобразования термоэлектрических тепловых насосов при различных режимах их эксплуатации. Разработана математическая модель для определения коэффициента преобразования термоэлектрических тепловых насосов при различных режимах их эксплуатации. Проведено моделирование и расчет термоэлектрических блоков для тепловых насосов.

Разработана методика и изготовлен измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических устройств.

Разработаны математические модели расчета конструкции внешнего контура теплового насоса для различных теплофизических условий его эксплуатации. Выполнена программная реализация математической модели расчета конструкции внешнего контура теплового насоса. Разработана программная документация.

В процессе выполнения проекта использовано уникальное научное оборудование, функционирующее на базе ЦКП МИЭТ "Электронные приборы и оборудование", в котором и выполняется данный проект и уникальное научное оборудование ЦКП МИЭТ "Микросистемная техника и электронная компонентная база". Некоторые из используемых в проекте приборов и оборудования ведущих мировых производителей не имеют аналогов в России.

Результаты исследования

В процессе исследований получены следующие результаты:

Разработаны метод и математическая модель для определения линейных размеров термоэлектрического устройства при изменении температуры.

Разработана технология герметизации термоэлектрических модулей, используемых в составе термоэлектрических блоков ТН. Изготовлены экспериментальные образцы герметичных модулей. Разработан и изготовлен экспериментальный образец термоэлектрического блока для ТН.

Разработана методика и изготовлен измерительный комплекс для исследований термоэлектрических устройств.

Разработаны метод и математическая модель для определения коэффициента преобразования термоэлектрических тепловых насосов, для различных режимов их эксплуатации.

Разработаны метод и математическая модель расчета конструкции внешнего контура ТН для различных теплофизических условий его эксплуатации.

Разработана методика и изготовлен аппаратно-программный измерительный комплекс для исследования основных параметров ТН.

Разработаны, изготовлены и исследованы макетный и экспериментальный образцы термоэлектрических ТН.

Разработана интеллектуальная система и изготовлены электронные компоненты для мониторинга термодинамических параметров ТН.

Разработаны аппаратно-программные средства и программное обеспечение для исследования и функционирования ТН.

Результаты исследований по данному проекту представлены в 3 научных статьях, опубликованных в высокорейтинговых журналах, индексируемых в базе данных SCOPUS.

Полученные результаты обсуждались на научно-технических конференциях. Опубликованы 7 тезисов докладов.

По результатам исследований зарегистрировано 4 программы для ЭВМ.

Высокая квалификация и большой опыт работ в области термоэлектричества исполнителей проекта позволил провести исследования на высоком научно-техническом уровне и получить результаты, соответствующие лучшим достижениям в данной области.

Практическая значимость исследования
Термоэлектрический тепловой насос предназначен для отопления и кондиционирования зданий и сооружений. Снижение потребления энергии при использовании ТН в ЖКХ от 30 до 70% в режиме отопления, и от 20 до 50% в режиме кондиционирования.
В настоящее время утверждена (распоряжением правительства РФ от 13 ноября 2009 г № 1715-р) Энергетическая стратегия России на период до 2030 г, предусматривающая масштабное внедрение систем отопления, использующих ТН.
Разработана уникальная технология герметизации термоэлектрических модулей, позволяющая их эксплуатировать при влажности до 98%. Результаты, полученные при реализации данного проекта, позволили создать ТЭМ с высокими техническими параметрами. Для военной техники, по заказу ФГУП НПЦАП, изготовлено и передано Заказчику 4000 шт. термоэлектрических модулей с двойной герметизацией.
Разработанные измерительные аппаратно-программные комплексы используются для комплексных исследований термоэлектрических устройств и оборудования.
Разработанные высокоточные датчики термодинамических параметров с беспроводным интерфейсом используются в интеллектуальных автоматизированных системах контроля и управления.
Разработанные и изготовленные в рамках проекта термоэлектрические модули и термоэлектрические устройства могут быть использованы для регулирования и стабилизации температуры электронной, оптической и лазерной техники, в технологическом и метрологическом оборудовании, исследовательских измерительных комплексах. Можно с уверенностью утверждать, что в электронной технике, оборудование, реализующее термоэлектрический метод регулирования температуры, является наиболее эффективным. Необходимо особо отметить большие перспективы для применения термоэлектрических устройств в вычислительной технике, а также для практического применения высокотемпературных сверхпроводников.
Постер

14.578.21.0016.ppt