Научно-исследовательский проект:

«Разработка устройства генерации энергии с целью улучшения производственной безопасности на примере цеха печей стабилизации конденсата»


Проект направлен на создание автономной системы питания эвакуационных световых указателей за счёт преобразования тепла промышленных трубопроводов в электричество с помощью элементов Пельтье.

Распределение ролей в команде
Чен Елена Алексеевна
занималась исследованием напольных сигнализаторов с низковольтным питанием, их характеристик и требований к подключению, разрабатывала архитектуру энергосети (MPPT + DC‑DC стабилизатор), оценивала реализуемость и экономические преимущества системы, а также готовила презентационные материалы и текст для защиты
Резникова Софья Романовна
отвечала за изучение физической основы работы элемента Пельтье, анализ технологических процессов на объекте (цех печей стабилизации конденсата), разработку схемы установки элементов на трубопровод, а также подготовку технических расчётов и обоснование выбора компонентов системы
Атянин Владимир Николаевич
научный руководитель, педагог дополнительного образования
Актуальность
Производство нефти и газа характеризуется высоким уровнем риска аварий и несчастных случаев, что ставит перед отраслью задачу постоянного совершенствования мер по обеспечению промышленной безопасности. Световые оповещатели путей эвакуации играют важнейшую роль в обеспечении своевременной и эффективной эвакуации персонала в случае возникновения пожара, аварии или иной чрезвычайной ситуации.

Проблематика



Традиционно подобные системы работают от централизованного электроснабжения, однако сбои в подаче электроэнергии могут существенно затруднить процесс эвакуации, создавая угрозу жизни и здоровью работников. Альтернативное устройство генерации энергии – термоэлектрический генератор на основе элемента Пельтье способен обеспечить бесперебойное снабжение электроэнергией даже в условиях нестабильной внешней сети.

Аналоги и прототипы
Существующие решения:

Световые эвакуационные указатели от аккумуляторов – требуют регулярной замены, обслуживания, утилизации.
Фосфорные ленты – работают только в темноте и только ограниченное время, пассивны.
Проводные системы – зависят от внешней сети, при аварии отключаются.
Наш проект:

Полная автономность (не зависит от сети).
Не требует замены батарей и обслуживания.
Срок службы – десятилетия.
Работает 24/7, пока есть перепад температур.

Аналоги – это либо ограниченный ресурс, либо зависимость от инфраструктуры. Наше решение превращает бесполезные теплопотери в постоянный, надёжный и бесплатный источник энергии для критически важной системы безопасности.

Цель проекта

Разработать технически реализуемое решение для бесперебойного питания напольных световых сигнализаторов путей эвакуации на базе термоэлектрических генераторов (элементов Пельтье), обеспечивающее работу системы в условиях полного отключения внешнего электроснабжения и тем самым повышающее уровень промышленной безопасности на опасном производственном объекте.
Целевая аудитория проекта
Прямые пользователи: персонал опасных производственных объектов (нефтегазовые заводы, установки стабилизации конденсата, компрессорные станции) – те, кто находится в зоне риска при аварии.
Косвенная аудитория: инженерные службы, отделы промышленной безопасности, руководство предприятий, отвечающие за эвакуационные системы и соблюдение норм безопасности.
Потенциальные заказчики и стейкхолдеры
Заказчики: нефтегазодобывающие и перерабатывающие компании (например, Газпром, Новатэк, Сахалинская энергия), промышленные предприятия с горячими трубопроводами.
Стейкхолдеры:
· Руководство предприятий (заинтересовано в снижении рисков и аварийности).
· Отделы промышленной безопасности (нуждаются в надёжных системах эвакуации).
· Государственные надзорные органы (Ростехнадзор – в части соблюдения норм).
· Проектные и инжиниринговые компании (могут тиражировать решение).
Экономика

Длина линии

Количество (цена) сигнализа-торов

Общая мощность

Элементов Пельтье (цена)

Контроллер

Стабили-затор

Работы

Итого

Тариф по электроэнер-гии


Сотни спасенных жизней при возникновении ЧС

5м

10 шт. (1000 руб.)

15,3 Вт

70 шт. (210000 руб.)

5000 руб.

3000 руб.

100000 руб.

229000 руб.

6,19 руб.

(за 1 кВт.ч)

Продвижение
· Участие в профильных конференциях по промышленной безопасности.
· Презентация на отраслевых выставках (например, «Нефть и газ»).

· Создание одностраничного сайта-портфолио с расчётами и обоснованием окупаемости.
· Внедрение через пилотный проект на одном из цехов в партнёрстве с предприятием.
Этапы проекта и их результаты
  • Теоретическое исследование
    Изучены физические принципы работы элемента Пельтье — эффекты Зеебека и Пельтье, их взаимосвязь. Рассмотрены характеристики, ограничения и области применения.
  • Анализ объекта внедрения
    Детально изучен цех печей стабилизации конденсата УСК: технологический процесс, температурные режимы, существующие маршруты эвакуации. Выявлен главный ресурс — стабильный перепад температур между горячим трубопроводом (182°C) и воздухом цеха (15°C).
  • Эксперимент
    Собран лабораторный стенд: нагрев — утюг (200°C), генератор — три элемента Пельтье на радиаторе, нагрузка — светодиодная лампа 3–12В. Экспериментально определён оптимальный градиент температур — 55°C. Это ключевая цифра, на которой построены все дальнейшие расчёты.
  • Инженерное проектирование
    Разработана схема установки элементов Пельтье на трубопровод через огнеупорный кожух. Рассчитана необходимая толщина теплоизоляции — 76 мм (снижение с 182°C до 70°C на внешней поверхности). Это техническое решение делает систему безопасной для обслуживания и стабильной по выработке энергии.
  • Энергетический и экономический расчёт
    Вычислено, что при ΔT = 55°C один элемент Пельтье выдаёт около 0,22 Вт полезной мощности. Для питания одного сигнализатора (1,44 Вт) требуется 7 элементов. Показано, что система масштабируется: 100 метров эвакуационного пути (~200 сигнализаторов) требуют около 1400 элементов.
  • Разработка архитектуры питания
    Выбрана и обоснована оптимальная схема подключения: все элементы Пельтье → один MPPT-контроллер (максимизация сбора энергии) → DC‑DC стабилизатор (ровные 12В) → параллельное подключение сигнализаторов. Схема проста, надёжна, не требует аккумуляторов и их обслуживания.
Экспериментальная установка

Создана полностью просчитанная, технически обоснованная и экспериментально подтверждённая модель автономной системы питания эвакуационных световых указателей. Проект доказывает принципиальную реализуемость такого решения на действующем производстве.

Следующие этапы
  • Создание действующего макета
    Построить уменьшенную рабочую модель «элементы Пельтье → сигнализатор» на управляемом нагреве для наглядной демонстрации.
  • Поиск индустриального партнёра
    Выход на конкретное предприятие для обсуждения пилотного внедрения на одном участке трубопровода.
  • Расширение применения проекта
    Адаптация системы для питания не только сигнализаторов, но и датчиков, камер, локальной автоматики.
Значимость проекта для участников
От Лены Чен:
Я научилась работать с техническими данными, строить схемы электропитания, оценивать экономику и реализуемость технических решений. Проект приблизил меня к специальностям, связанным с промышленной автоматикой и безопасностью. Навыки проектной работы и публичной защиты пригодятся в любом инженерном направлении.
От Софьи Резниковой:
Проект дал мне понимание термоэлектрики, инженерных расчётов тепловых потерь и проектирования систем на реальном промышленном объекте. Я планирую поступать на техническую специальность, и этот опыт – прямое погружение в профессию инженера-энергетика или проектировщика.
Контакты
Резникова Софья Романовна
Phone: +79621182237
Email: sofareznikova08388@gmail.com

Чен Елена Алексеевна
Phone: +79621001262
Email: ea.chen20082mail.ru

Атянин Владимир Николаевич
Phone: +79146479308
Email: kjnjc12@mail.ru