 |
Методика проведения исследований
|
|
|
|
Актуальность
С каждым днем количество мобильных устройств неуклонно растет. Большинство из них, на протяжении определенного времени, поддерживают свою работоспособность при помощи аккумуляторов. Однако в полевых условиях встает вопрос о поддержании работоспособности мобильных устройств, о продлении их автономной работы.
Данная проблема является актуальной на сегодняшний день. Есть несколько типов приборов, позволяющих поддерживать автономную работу мобильных устройств. В данной статье будет рассмотрен термоэлектрический генератор (ТЕГ) на элементах Пельтье. В роли потребителей выбраны Li-Po аккупуляторы.
Данный генератор будет полезен туристам и отрядам экспедиции, которые на протяжении длительного времени будут находиться вдали от источников электроэнергии. Он позволит многократно заряжать мобильные устройства в полевых условиях. Он будет дешевле и эффективнее тех немногих аналогов, что предлагаются на данный момент времени.
Термоэлектрический генератор основан на эффекте Зеебека и элементах Пельтье, которые в некоторых случаях являеются единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
Литий-полимерный (Li-Po) аккумулятор - это усовершенствованная конструкция литий-ионного аккумулятора. Они широко применяются как аккумуляторы для мобильных устройств, радиоуправляемых моделей, а также в портативном электроинструменте и в некоторых современных электромобилях. Аккумуляторы пожароопасны при перезаряде и/или перегреве. Для борьбы с этим явлением все бытовые аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая предотвращает перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда. Электронная схема очень упрощает процесс их заряда, достаточно лишь обеспечить напряжение питания в 5 вольт. Преимущества Li-Po аккумулятора:
|
|
|
* Большая плотность энергии на единицу объёма и массы (в сравнении с литий-ионными);
* Низкий саморазряд;
* Толщина элементов от 1 мм;
* Возможность получать очень гибкие формы;
* Отсутствие эффекта памяти;
* Незначительный перепад напряжения по мере разряда.
Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.
Элемент Пельтье - в основе работы лежит контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов электрон должен приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников дополнительно к обычному тепловому эффекту. Обычно элемент Пельтье применяется в качестве охлаждающей или нагревающей установки. Но имеется и обратный эффект. При нагревании одной стороны, элемента Пельтье, и охлаждении другой, он начинает генерировать ЭДС. На этом принципе преобразовании разности температур в электричество и основана работа генератора.
Рис.1 Устройсто элеметна Пельтье.
Цель работы
Собрать мобильный малогабаритн-ый генератор энергии, мощностью в 5 Вт. Данный ТЕГ должен обладать такими параметрами: компактность и мобильность в сложенном виде, напряжение питания 5В, ток питания 1А, простота сборки и обслуживания.
Принцип работы ТЕГ
Термоэлектрический генератор энергии состоит из пяти ключевых частей: нагреватель, охладитель, элемент Пельтье и импульсный повышающий стабилизатор напряжения.
|
|
|
Рис.2 Структурная схема устройства термоэлектрического генератора.
Данный прибор будет приводиться в рабочее состояние путем увеличения разности температур на сторонах элемента Пельтье.
Горячую сторону нагреваем доступными внешними источниками тепла, к примеру, огнем или солнечным светом. Другая же сторона, охлаждается пассивно, за счет радиатора контактирующего с ней. Радиатор (охладитель) может быть погружен в воду для более эффективного теплообмена.
Модуль Пельтье, если обеспечить разность температур на его сторонах, генерирует ЕДС.
Полученное таким образом постоянное не стабилизированное напряжение подается на импульсный стабилизатор напряжения, задачей которого является генерировать на выходе 5 вольт постоянного напряжения.
Рис.3 Схема импульсного повышающего стабилизатора напряжения.
Рис.4 DC-DC конвертер, повышающий 0.9...5В в 5В с USB-разъемом.
Данный преобразователь начинает работать при входящем напряжении в 1 воль и на выходе дает стабильные 5 вольт. К сожалению, на этот модуль, как и на многие другие продукты китайской разработки, документация отсутствует.
Задачи исследования
1. Определить зависимость генерируемой мощности (тока) к разности температур на элементе Пельтье.
2. Каков максимальный ток (мощность) может быть получен с используемого рабочего элемента TEC 1-12705 при условии, что максимальная температура нагрева не будет превышать 200 градусов по Цельсию.
3. Обеспечить условия для заряда Литий-Полимерных аккумуляторов.
Методика проведения исследований
Был произведен замер зависимости получаемой мощности на элементе TEC 1-12705 к разности температур на его сторонах. К одной стороне элемента Пельтье был прикреплен радиатор, который нагревался строительным феном. К другой стороне был прикреплен охлаждающий радиатор, который был погружен в холодную воду.
По мере нагрева горячего радиатора (нагревателя) фиксировались показания вольтметра, подключенного параллельно резистору 10.4 Ом, к контактам ТЕС. Данные о температуре горячего и холодного радиаторов были получены при помощи цифрового термометра, датчики которого были вставлены в корпуса радиаторов.
|
|
|
Рис.5 Схема экспериментальной установки, для измерения мощности термоэлектрического генератора, при разности температур холодной и горячей стороны.
Замерить генерируемый ток из преобразователя получаемый при помощи одной пластинки ТЕС не удалось в виду отсутствия необходимого измерительного оборудования.
Результаты исследования
По данным измерений полученных экспериментальным путем, был построен график зависимости генерируемой мощности от разности температур.
Рис.6 График зависимости мощности элемента Пельтье от разности температуры на его сторонах.
При разности в 41 градус была получена мощность в 0.385 Вт.
Теоретически продлевая график по заданной точками траектории видно, что с одного элемента можно получить 2.5 Вт при разности температуры в 100 градусов.
Рис.7 Теоретический график зависимости мощности элемента Пельтье от разности температур на его сторонах.
Выводы
Основываясь на полученных данных в ходе эксперимента можно сделать заключения:
1. Четырех элементов Пельтье, модели TEC 1-12705, вполне хватит для создания термоэлектронного генератора мощностью в 5 Вт.
2. Используемые материалы преобразователя и термо-изолятора
рассчитаны на температуру до 200 градусов по Цельсию, что создает некие требования для эксплуатации данного прибора.
3. Исходя из результатов эксперимента, можно заключить, что реализация данного устройства с высокой вероятностью будет успешна.
Литература и ссылки
Электронные ресурсы:
1. Денисюк Д. Д. Повышающий DC-DC преобразователь. Принцип работы. URL:http://easyelectronics.ru/povyshayushhij-dc-dc-preobrazovatel-princip-raboty.html
(дата обращения: 05.04.2016).
2. Зинченко К. М.
Практические характеристики термоэлектрических модулей Пельтье и термопар.
URL: http://chem-tech.netnotebook.net/pda/electricity/generating_electric_power_thermocouple_peltier_modules.html
(дата обращения: 02.04.2016).
3. Булашенко М. М.
Применение термоэлектрических модулей. URL: http://www.z-max.jp/peltier_ru/experience/index.html (дата обращения: 08.03.2016).
|
|
|
4. Волошина А. К.
Постъядерный форум радиоэлектронные устройства.
URL:http://www.crashplanet.ru/content/category/7/29/41/
(дата обращения: 12.03.2016).
5. Шевчук И.П.
Описание и марки полимеров – Фторопласты.
URL:http://www.polymerbranch.com/catalogp/view/10.html&viewinfo=2
(дата обращения: 24.04.2016).
6. Общедоступная информация
Низкотемпературные генераторные модули.
URL:http://kryothermtec.com/ru/low-temperature-generating-modules.html
(дата обращения: 18.04.2016).
7. Найда А.Р.
Форум химиков.
URL:http://forum.xumuk.ru/index.php?showtopic=130911
(дата обращения: 19.04.2016).
8. Общедоступная информация
TEC1-12705 Datasheet
URL:http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/227423/ETC2/TEC1-12705.html
(дата обращения: 17.02.2016).
|
|
|
