Как мы превращали тепло в электричество (особенности применения термогенераторов)
Вопросы получения бесплатной энергии не давали покоя человеку еще с незапамятных времен, а после череды промышленных революций, когда энергия по своей значимости стала эквивалентна воде и продуктам питания, актуальность этого вопроса лишь возросла. Но если вечный двигатель, как утверждают физики, сконструировать невозможно, то извлечь энергию из окружающей среды вполне реально не только теоретически, но и практически.
На сегодняшний день существует ряд проектов, позволяющих преобразовать в электричество свет, звук, вибрацию, трение, температуру, колебания температуры, электромагнитные волны, а также ряд других низкопотенциальных энергетических источников. К сожалению, эти решения имеют два ключевых недостатка: энергии они дают мало, и она дорогая. Если посчитать стоимость киловатт-часа, полученного с помощью этих систем, а большинство из них такое количество энергии не сгенерирует даже за весь срок своей службы, то она выйдет в лучшем случае на порядок дороже, чем самое дорогое электричество, получаемое из традиционных источников. Это значит, что системы сбора энергии окружающей среды (Energy Harvesters) пока еще остаются всего лишь забавой для небольшого количества фанатов этого направления, либо не понимающих до конца сути законов природы, либо имеющих много свободного времени и средств для подобных экспериментов.
Только время не стоит на месте, и двадцать первый век уже подарил множество новых направлений в радиоэлектронике, анализируя которые можно выделить две устойчивые тенденции. Во-первых, если есть хоть малейшая техническая возможность, то устройства стараются делать беспроводными. Во-вторых, энергопотребление современных приборов, даже передающих информацию с помощью «прожорливых» радиоинтерфейсов, катастрофически уменьшается. Уже сейчас большинство беспроводных датчиков для охранных систем, работающих в реальном времени, способно проработать без замены батареи не меньше года, а компании, наиболее продвинутые в этом направлении, например, Ajax Systems [1], утверждают, что их оборудование может до семи лет работать от единственного химического источника тока. И это далеко не предел, ведь в правильно спроектированном устройстве количества энергии в современных литиевых батареях может хватить на 15 лет непрерывной работы [2].
Однако у традиционных химических источников тока есть множество недостатков, главным из которых является ограниченная (или конечная) емкость – рано или поздно полезные химические процессы в источнике прекратятся, и его придется менять. Да и забрать от него расчетное количество энергии не всегда получается. Так, например, при проектировании оборудования, рассчитанного на работу от литиевых батареек, необходимо учитывать эффект пассивации электродов, иначе оно начнет сбоить уже через несколько лет работы [2]. А если произойдет нарушение условий эксплуатации химического элемента, и он подвергнется воздействию аномально высоких или низких значений температур или влажности, то предвидеть дальнейшее поведение системы будет уже крайне сложно.
Только к чему поднимать из-за этого панику, ведь все неприятности в конечном итоге сводятся к простой замене батареек, которые никогда не были особо дорогими? Однако практика показывает, что там, где нет возможности установить электрическую розетку, чаще всего не так просто добраться и до батарейки. Например, компоненты систем мониторинга окружающей среды – датчики температуры, давления, влажности, концентрации углекислого газа и прочих вредных веществ – могут устанавливаться далеко не в самых легкодоступных местах, например, на крышах зданий или верхушках дымовых труб. Это же справедливо и для элементов систем безопасности – датчиков дыма, вибрации, движения, присутствия или открытия двери, например, чердачного люка. Еще сложнее ситуация с измерителями смещения различных инженерных конструкций, например, стен зданий или опор мостов, куда, скорее всего, придется добираться на спецтехнике, например, на моторных лодках. Вот и получается, что в подобных системах стоимость замены батарейки может намного превышать стоимость самой батарейки. Да и в относительно простых, но масштабных, системах для замены, например, 1000 батареек в 1000 датчиков уже необходим небольшой коллектив специально обученных людей под началом главного бухгалтера, которые только и будут этим заниматься. А если добавить сюда еще и экологическую небезопасность всех химических источников тока, то станет понятно, что системы сбора энергии зря подверглись незаслуженному забвению и порицанию.
В этой статье описан опыт изготовления системы сбора энергии окружающей среды на основе термогенератора, превращающего в электричество перепады температур. Источником вдохновения для этой работы послужил проект теплового резонатора (Рисунок 1), созданного командой ученых и студентов из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology – MIT) [3]. Прочитав о достижениях этого коллектива, было решено, что ученые и студенты Одесской национальной академии связи им. А.С. Попова тоже могут внести посильный вклад в изучение этого процесса, а магистерская выпускная работа Кирилла Ильченко – соавтора этой статьи – может стать хорошим предлогом для этого исследования.
 |
||
| Рисунок 1. | Метеостанция с тепловым резонатором, разработанная коллективом из MIT [3]. | |
Первоначально было решено исследовать классический термогенератор на основе элемента Зеебека, позволяющий превратить в электричество перепады температур. Такое решение было принято по двум причинам. Во-первых, на повторение теплового резонатора могло потребоваться достаточно большое количество времени, которого было не так много, а, во-вторых, все-таки информации о подобных системах, а особенно об их практическом применении, крайне мало, а эти пробелы надо восполнить.
Первым удивлением при выборе термогенератора стало практически полное отсутствие в широкой продаже элементов Зеебека. Поисковые системы по данному запросу выдавали только один результат – модуль SP1848-27145 с размерами 40 мм × 40 мм × 4 мм, выходным напряжением 4.8 B и максимальной мощностью 3.21 Вт, достигаемой при разности температур между горячей и холодной стороной 100 °C (Таблица 1). Очевидно, что для системы сбора энергии найти среду с подобной разностью температур практически нереально, но даже при 20 °C, выходная мощность модуля SP1848-27145 (0.22 Вт) намного превышает среднюю потребляемую мощность многих беспроводных датчиков. Например, этой мощности вполне достаточно для питания беспроводного инфракрасного датчика присутствия, реализованного компанией Texas Instruments в проекте TIDA-00489 [4], с током потребления в дежурном режиме всего 1.65 мкА при напряжении питания 3 В.
Тем не менее, приобрести единственный широко известный модуль Зеебека, к сожалению, нам не удалось. Большинство поставщиков, к которым мы обращались, даже несмотря на то, что на их сайтах указано, что эти элементы есть в наличии, по факту могли продать их только под заказ (то есть, их «не возят, потому что никто не берет»). А некоторые в качестве «почти равноценной» замены вместо модулей Зеебека предлагали модули Пельтье аналогичного размера, мотивируя обратимостью этих эффектов, а также тем, что последние будут намного «мощнее».
Действительно, эффект Зеебека (возникновение ЭДС при наличии разности температур) является обратным эффекту Пельтье (возникновению разности температур при протекании электрического тока), однако к самим элементам это не относится, поскольку модули Зеебека и модули Пельтье при одинаковой конструкции имеют разное практическое назначение.
Элементы Пельтье предназначены для перемещения тепла; они применяются в различных системах терморегулирования, например, в системах охлаждения, поэтому их внутреннее сопротивление невелико, а мощность может достигать сотен ватт. Судя по наличию выбора и доступности, элементы Пельтье весьма востребованы на рынке, в то время как элементы Зеебека, имеющие гораздо меньшую мощность и высокое внутреннее сопротивление, пока никому не нужны. Тем не менее, в системах сбора энергии при прочих равных условиях именно элементы Зеебека должны дать большее напряжение, а значит – эту энергию будет проще собрать и передать в нагрузку.
 |
||
| Рисунок 2. | Модуль Пельтье TEC1-12706. | |
К сожалению, по разным причинам проверить это на практике не удалось (зато есть задача на будущее). Вместо элемента Зеебека был приобретен элемент Пельтье TEC1-12706 (Рисунок 2) с аналогичными размерами 40 мм × 40 мм × 4 мм, но достаточно сильно отличающимися электрическими характеристиками (Таблица 2).
Главным огорчением от использования этого модуля стало почти в пять раз меньшее выходное напряжение, которое при разности температур 10 °С составило всего 0.2 В (Таблица 3). Здесь нужно сразу уточнить, что никто изначально не ставил целью эксплуатацию системы сбора энергии в каких-то экстремальных условиях, то есть никто не собирался один бок элемента Пельтье жарить на медленном огне какого-нибудь газового котла, а второй засовывать в морозильную камеру. Основным вопросом было: можно ли в реальных условиях окружающей среды (на улице или в помещении) с помощью данного элемента извлечь энергию в количестве, достаточном для практического применения, например, для питания устройств, описанных в [1] или [4]. То есть, 10 °С – это максимальная разность температур, которая может оказаться доступной в реальных помещениях или на улице.
Также изначально стало понятно, что без специализированного преобразователя напряжения не обойтись, поскольку даже в лучшем случае напряжение на выходе модуля Зеебека не превышало бы 1.0 В, что явно недостаточно для питания современного оборудования.
После анализа доступных специализированных микросхем было принято решение о выборе микросхемы LTC3108 производства Linear Technology, не так давно ставшей частью Analog Devices. Во-первых, эта микросхема специально разработана для таких задач, в ней интегрированы все необходимые узлы, и для ее работы необходим минимум внешний компонентов (Рисунок 3). Во-вторых, эта микросхема хорошо освещена в технической литературе. С момента появления ее на рынке (в конце 2010 года) уже вышло достаточно много публикаций, в том числе и в журнале РадиоЛоцман [5], где были подробно освещены все особенности ее работы. Кроме того, можно приобрести оценочную плату CJMCU-3108 с уже установленными внешними компонентами (Рисунок 4), что в рамках данной работы также является достаточно весомым аргументом.
| Рисунок 3. | Структурная схема микросхемы LTC3108. |
И здесь снова ждал неприятный сюрприз – у всех местных поставщиков электронных компонентов плату CJMCU-3108 можно было приобрести только под заказ, что означало, что кроме нас она, похоже, никому не нужна. Вторым неприятным сюрпризом, который из-за нашей невнимательности возник уже после распаковки платы, оказалось отсутствие на плате ключевого компонента – трансформатора Т1. С одной стороны, производителей платы CJMCU-3108 можно понять – они оставляют пользователям выбор, ведь теперь они могут поставить на плату элемент с коэффициентом трансформации 1:20, 1:50 или 1:100, в зависимости от конкретного приложения. С другой стороны, выбора особо нет, ведь количество производителей трансформаторов, которые можно установить на эту плату всего два: Coilcraft (LPR6235) и Würth Elektronik (74488540ххх), а стоимость такого трансформатора из-за его ультракомпактности в два раза больше стоимости платы. Все это создает ощущение некоторого лукавства со стороны производителей платы CJMCU-3108, хотя доказательств этому у нас, конечно же, нет, ведь все делается только с благими намерениями. К тому же, если большинство местных поставщиков электроники про плату CJMCU-3108 хотя бы слышали, то трансформаторы LPR6235 и 74488540ххх для них оказались полной неожиданностью.
 |
||
| Рисунок 4. | Оценочная плата CJMCU-3108. | |
В конечном итоге, плата CJMCU-3108 и трансформатор LPR6235-752SMR с коэффициентом трансформации 1:100 были благополучно заказаны и доставлены из Китая, а система смонтирована и протестирована (Рисунок 5). Тестирование проводилось классическим для подобных систем способом: термогенератор устанавливался между двух источников с разными температурами, к выходу системы сбора энергии в качестве нагрузки подключался переменный резистор. Выходные напряжение и ток контролировались соответствующими измерительными приборами, а температура – бесконтактным термометром (пирометром).
Результаты тестирования показали, что микросхема LTC3108 отлично справляется с поставленной задачей и поддерживает выходное напряжение выше 4 В при разности температур, начиная от нескольких градусов. Но это и не должно было стать большим открытием, ведь, согласно технической документации, минимальное напряжение на входе LTC3108 должно быть больше 20 мВ. В конечном итоге, подобная система должна обеспечить нагрузку напряжением в районе 3 В и выходной мощностью хотя бы 0.5 мВт. Как видно из результатов тестирования (Таблица 4), это происходит при разности температур, начиная от 30 °C. При меньшем температурном напоре в системе необходимо установливать накопитель энергии – аккумулятор или ионистор, поскольку 260 мкВт (при 20 °С) хватит для поддержания работы беспроводных датчиков в спящем режиме, но при переходе нагрузки в активный режим с передачей данных по радиоинтерфейсу этой мощности, скорее всего, будет недостаточно.
Гораздо более интересным вопросом является, где взять необходимый тепловой напор? Первым экспериментом стала установка термогенератора на радиатор отопления (Рисунок 6). При такой конфигурации система, где в качестве нагрузки и индикатора использовался светодиод, работала около получаса, после чего генерация энергии останавливалась. Это было связано с перегревом радиатора на охлаждающей стороне, в качестве которого был использован стандартный радиатор для процессоров персональных компьютеров. Такой результат был вполне предсказуем, поскольку рассчитанный на принудительное охлаждение радиатор изначально должен плохо работать в условиях естественного обдува, да и его тепловое сопротивление было бы неплохо вначале рассчитать.
 |
||
| Рисунок 6. | Установка системы на радиаторе отопления. | |
Тем не менее, несмотря на явный крах этого явно непродуманного до конца эксперимента, у подобного способа применения есть реальные практические перспективы, ведь при нормальном охлаждении внешней стороны термогенератора такая система может обеспечить энергией, например, терморегуляторы (термостаты) радиаторов отопления (Рисунок 7). Поскольку на сегодняшний день одним из главных направлений развития техники является интеллектуализация всего, то неудивительно, что современные терморегуляторы имеют программное управление и могут интегрироваться в систему «Умный дом». В конечном итоге, их использование, за счет внедрения гибких профилей температур и учета погоды, позволит уменьшить затраты на отопление, а это значит, что такие устройства очень скоро перестанут быть диковинкой, превратившись в объективную реальность.
 |
||
| Рисунок 7. | Радиаторный термостат с программным управлением. | |
В этом случае в ближайшем будущем вполне вероятно появление «умной радиаторной секции» с интегрированными терморегулятором и подсистемой питания на основе термопреобразователя Зеебека. Работать она будет только в отопительный сезон (а больше и не надо), настраиваться со смартфона через радиоинтерфейс (мощности питания хватит), и, самое главное, не будет требовать ни батареек, ни аккумуляторов. Сейчас терморегуляторы работают от батареек, которых хватает приблизительно на год, причем, когда система отопления останавливается, их тоже нужно выключать. И теперь представьте себе общее количество терморегуляторов (в идеале – по одному на каждый радиатор), например, в помещении бизнес-центра, требующее ежегодного обслуживания только из-за того, что они работают от батареек.
Еще одним источником перепада температур могут стать относительно прохладные конструкционные элементы зданий: стекла окон, металлические колонны, двери или балки, а также места, где присутствуют постоянные или периодические потоки воздуха (сквозняки). Именно в таком месте и был сделан следующий шаг по изучению возможностей системы. В этом эксперименте холодная сторона термогенератора была установлена на металлической колонне одного из складов почтового отделения Новой почты (одного из крупнейших операторов почтовой связи Украины), а радиатор второй стороны (все тот же – от процессора персонального компьютера) обдувался теплым воздухом сквозняка, постоянно возникающего в процессе работы из-за открытия дверей.
Результаты тестирования показали, что в процессе рабочего дня выходная мощность практически не опускалась ниже 800 мкВт (Рисунок 8). А это означает, что в этом месте можно смело устанавливать центр почти вечного питания одного, а может и нескольких беспроводных датчиков, например, контроля качества воздуха, обнаружения вредных веществ, пожарную или охранную сигнализацию или другие подобные устройства.
| Рисунок 8. | Выходная мощность системы в течение рабочего дня. |
Заключение
Общее количество денег, потраченное на эту систему, без учета сборки и доставки, составило около 30 долларов США, из них почти половина стоимости пришлась на долю трансформатора. Конечно, при серийном производстве и использовании не таких миниатюрных компонентов цена может уменьшиться в несколько раз, и тогда она станет соизмеримой со стоимостью качественных химических источников тока. Но основная экономическая выгода будет не от замены одного источника питания на другой, а от уменьшения затрат на обслуживание системы (замену батареек).
Очень нужны элементы Зеебека малой и сверхмалой мощности. Очевидно, что увеличение количества последовательно соединенных ячеек элементарных полупроводниковых термопреобразователей при одновременном уменьшении их размера приведет к увеличению выходного напряжения. А это значит что, вполне возможно, можно будет обойтись и более простыми контроллерами, чем LTC3108. Хотя вполне вероятно, что высокая цена этой микросхемы (около 7 долларов США) обусловлена не более чем низким спросом на нее. И, конечно же, использование ультраминиатюрных, ультраредких и ультрадорогих трансформаторов LPR6235 должно быть, как минимум, обосновано.
В целом, эксперимент можно считать удачным, а это направление – перспективным. Значит нужно переходить от академических экспериментов к практическим разработкам и осваивать эту новую, но очень нужную и востребованную ветвь альтернативной энергетики.
Эксперимент по постройке термоэлектрического генератора на основе элементов Пельтье
Здравствуйте, меня зовут Данил, и я параноик. Паранойя моя заключается в том, что я убежден в неминуемом приходе Большого Песца. В каком обличье этот самый песец придет, не важно – если останемся в живых, то, скорее всего, придется начинать жить с нуля. А жить гораздо веселее, когда у тебя есть, от чего зарядить аккумуляторы в фонарике и дозиметре. Тех, кто считает так же (а также и всех любопытствующих), прошу под кат (осторожно, тяжелые фотки).
Исследовательская часть
Собственно, почему элемент Пельтье? Гораздо логичнее приобрести фонарик с мышечным приводом («жужелицу»), солнечными батареями, или, на худой конец, построить ветряк. Раньше я тоже думал, что вполне можно обойтись «жужелицей». Но в ней очень много движущихся деталей, которые сделаны дядюшкой Ляо из дешевого пластика. Первая поломка в условиях Большого Песца – и ты остаешься без электричества.
Хорошо, спросите вы, почему не солнечные батареи? Там нет движущихся частей. Согласен, отвечу я, но в условиях ядерной или вулканической зимы или под двухметровым бетонным перекрытием убежища солнышко не так-то легко поймать.
Ветряк? А какой площади должны быть его лопасти для того, чтобы он мог крутиться даже от слабого ветра? Движущиеся детали, опять же. Ветряк годится для стационарной установки при оборудовании долговременного укрытия.
Обмозговав эти доводы, я приуныл. Но вскоре случайно наткнулся на сайт nepropadu.ru (никакой рекламы, исключительно ссылка на исходный материал). Я просидел на нем безвылазно двое суток, и в процессе наткнулся на прелюбопытную статью про печку-щепочницу из корпуса от компьютерного БП с элементом Пельтье на боку (ссылка в конце поста). В комментариях было много скептики, но автор писал, что спокойно заряжал телефон от подключенного китайского DC-DC преобразователя… Я загорелся.
Конструкторская часть
Для начала я заказал у китайцев на e-Bay такой же элемент Пельтье (на эксперименты хватит). Обошелся он мне в 320 рублей. Что порадовало, так это ускоренная, с отслеживанием, но бесплатная доставка. Плюс товар отправили буквально через час после оплаты (а дело было в воскресенье).
Пока элемент Пельтье ехал, я продумал конструкцию будущего термоэлектрического генератора, нашел подходящий радиатор с вентилятором (прекрасно подошел древний процессорный радиатор), а также откопал на просторах Интернета схему DC-DC преобразователя с максимальным выходным током 1 ампер при напряжении 5 вольт.
Делать печку-щепочницу по примеру из той статьи я посчитал не целесообразным. Металл, из которого делают компьютерное железо, очень мягкий, от воздействия высоких температур его «поведет», да и прогорит он быстро. Поэтому было решено сделать «съемный вариант» генератора, который можно было бы закрепить на боку стационарной печки или прислонить к стоящему на костре котелку. А чтобы в таких условиях не поджарить элемент Пельтье на открытом огне, нужна была термостойкая, но теплопроводящая прокладка. Для этого мне удалось раздобыть кусок толстой алюминиевой пластины размерами 100х120х5 миллиметров.
Чтобы прижать элемент Пельтье к алюминиевой подложке, а к нему, в свою очередь, прижать радиатор, я решил использовать детский металлический конструктор, который я когда-то покупал для нужд робототехники.
Но вот элемент Пельтье приехал, и настало время для сборки.
Технологическая часть
У нас был радиатор, алюминиевая пластина, элемент Пельтье, горстка радиодеталей, кусок фольгированного текстолита и самые разные винтики и гайки. Дальше не помню.
Итак, все компоненты собраны, можно приступать к сборке.
Прошу прощения за размеченную и просверленную в двух местах пластину – до меня только после дошло, что неплохо бы фотографировать весь процесс сборки с самого начала.
Первая неприятность, которая меня подстерегала – это 12-вольтовый штатный вентилятор на радиаторе. Так как я собираюсь добывать всего 5 вольт, да еще и при довольно небольшом максимальном токе, то это могло создать проблему.
Сначала я закинул удочки во все радио- и компьютерные магазины Перми, однако нигде не нашлось вентилятора 80х80 миллиметров на 5 вольт. А если и были, то меньших размеров и на ток более 200 мА, что было слишком много.
Затем я покопался на Ибее и обнаружил, что нужный мне вентилятор стоит от 300 рублей. Но надеяться на скорую доставку было бессмысленно, и поэтому я оставил этот вариант как резервный.
И только после всех поисков я догадался включить штатный 12-вольтовый вентилятор к 5-вольтовому источнику напряжения. Оказалось, что он вполне неплохо дует, и при этом потребляет не очень большой ток. Поэтому я решил пока оставить его, а после проведения испытаний при необходимости заказать вентилятор на Ибее.
Я разметил алюминиевую пластину и просверлил в ней два отверстия для крепления радиатора и два – для платы преобразователя напряжения. Отверстия я сделал диаметром 4 миллиметра (под винты из конструктора), а с внешней стороны расширил их до 7,5 миллиметров, чтобы скрыть шляпки винтов. После этого я скруглил напильником острые углы и прошелся крупной наждачкой по всем поверхностям пластины, и мелкой – по месту прижатия элемента Пельтье.
На этом обработку подложки я посчитал завершенной и приступил к изготовлению преобразователя напряжения.
Импульсный повышающий преобразователь напряжения собран на ИМС L6920, которая начинает работать при входном напряжении 0,8 вольт и позволяет снять со своего выхода фиксированное напряжение 3,3 или 5 вольт, или изменяемое от 1,8 до 5,5 вольт.
Принципиальная схема преобразователя является типовой и взята из даташита.
Для получения 5 вольт на выходе схемы ножка 1 соединена с общим проводом. Также настроена выдача низкого уровня на ножке 3 при падении входного напряжения ниже 1,5 вольт.
Для схемы была разведена печатная плата, на которой предусмотрено крепление к основанию-подложке с помощью все тех же деталей от детского конструктора. За перегрев платы я не беспокоюсь, так как она имеет принудительное охлаждение потоком воздуха, выдуваемым из радиатора.
Пришлось повозиться с макросом корпуса, в котором была купленная мной микросхема. На сайте магазина значилось, что она в корпусе SSOP-8. Как оказалось, в стандартном наборе макросов Sprint Layout нет такого корпуса. Я нашел чертеж корпуса SSOP-8 и сделал макрос, после чего развел плату. После пробной печати выяснилось, что микросхема несколько шире, и на свои контактные площадки не помещается. Гугление конкретной модели микросхемы (L6920D) привело меня на сайт Чип-Дипа, где я узнал, что ИМС с индексом D изготавливается в корпусе TSSOP-8. Почесав затылок, я нашел чертеж этого корпуса, создал макрос и переразвел плату. Теперь все оказалось правильно.
Плата изготовлена при помощи ЛУТа и собрана. Оказалось, что корпус TSSOP-8 паять без фена очень неудобно. Но мы люди тертые, FTDI-микросхемы с шагом ножек 0,4 миллиметра паяли.
Теперь можно заняться установкой элемента Пельтье и радиатора. Подложку и радиатор в местах контакта с элементом я намазал термопастой. Затем стянул получившийся «бутерброд» гайками.
Оказалось, что плата преобразователя не влезает, упирается входным разъемом в радиатор, слегка не рассчитал. Перевернул крепежные скобы, плату вывесил наружу, а для защиты элементов от механических повреждений добавил еще две скобы. Вот что в итоге получилось:
Теперь можно проверить работоспособность генератора. Я нагревал его на газовой горелке. Вентилятор решил пока не ставить.
Для начала оказалось, что я перепутал полярность подключения элемента к преобразователю. Хотя вроде бы все было правильно – черный провод – к минусу, красный – к плюсу. Однако работать генератор не хотел. Тогда я изменил полярность подключения элемента.
Генератор заработал – сначала загорелись оба светодиода, сигнализируя о наличии 5 вольт на выходе и низком напряжении на входе, затем красный светодиод погас – напряжение поднялось выше полутора вольт.
К моему неудовольствию оказалось, что без вентилятора через пару минут работы системы радиатор ощутимо нагрелся. Так дело не пойдет.
На следующий день я прогулялся по металлорынку и нескольким компьютерным барахолкам, но на мой вопрос о 5-вольтовых вентиляторах везде разводили руками и советовали сходить «еще вон в то место», в котором я уже был пару минут назад. В итоге я поехал домой не солоно хлебавши.
Дома я провел эксперимент по запитке штатного 12-вольтового вентилятора от выходных 5 вольт преобразователя. Результаты меня не порадовали – преобразователь с явной неохотой погасил красный светодиод, а вентилятор несколько секунд слабо подергивался, пытаясь запуститься. Воздушного потока от работающего в полсилы вентилятора оказалось недостаточно для нормального охлаждения – радиатор так же быстро нагрелся, хоть и не обжигал теперь пальцы. В итоге вентилятор я решил все же заказать с Ибея.
Результат
Несмотря на низкий КПД элемента Пельтье в режиме генерации, промежуточный результат я все же получил – при подключении к выходу преобразователя портативного аккумулятора с заявленным током заряда 1000 мА генератор смог дать ток около 600 мА. Думаю, для зарядки большинства гаджетов в условиях Большого Песца этого тока вполне хватит.
По приезду вентилятора (Ибей обещает середину марта-начало апреля) проверю охлаждение. Плюс нужно будет протестировать работу генератора в «боевых» условиях – на костре.
За качество фотографий извиняюсь — фотограф из меня никакой. Ссылка на вдохновившую меня статью: тыц.
Термоэлектрический генератор(ТЭГ) на модулях Пельтье
Приветствую всех читателей. В предыдущей теме:Автономная солнечная система в Подмосковье я упомянул про свой ТЭГ, который помогает при отсутствии солнца. В комментариях люди просили на этом остановиться подробнее. Вот, вспомнил, что да как. И отвечаю. Сперва идут мои материалы с Форумхауса многолетней давности. Не все, а для понимания.
Итак, год назад, перед ноябрьским отключением электричества, я сваял примитивный термоэлектрический агрегат из одного модуля Пельтье из Вольтмастера, самый дешёвый на 127 ватт холода. Особенности таких модулей — эффективность в генерации 2-3%, максимальная температура нагрева — 150 градусов Цельсия. Из разнообразных обрезков(см. фото)
алюминия склеил/скрутил вокруг модуля два радиатора — один(нижний) на печку для уменьшения температуры, поступающей к модулю, второй — сверху для быстрейшего охлаждения холодной стороны модуля. Оговорюсь, что в охлаждении не силён совсем, посему лепил алюминь, как попало.
Весь агрегат ставился на печку( печь-шведка), точнее на её чугунную плиту, перед растопкой(температура чугунины максимум-до 250 градусов). Эффективная температура на плите держится около 3 часов, средняя выработка энергии в эти часы — 2-2.5 ватт/час. За одну топку получается около 6 ватт энергии кошкины слёзы. Печь топилась каждый день, поэтому в месяц выходило что то около 200 ватт. К выводам агрегата крокодилами подключался простой стабилизатор( из набора e-kits) и потом заряжались пальчиковые батарейки.
В таком виде, в силу маломощности, перспектив я не увидел
Были приобретены модули Пельтье американские от Thermal Enterprises ( вот такие: Model CP1-12730
62mm x 62mm x 3.8mm
Maxiumu power consumption 545 Watts
Operates from 0-16 volts DC and 0-32 amps
Operates from -60 deg C to +180 deg C
Each device is fully inspected and tested
Fitted with 6-inch insulated leads
Perimeter sealed for moisture protection)
Блок из 4 шт этих Гигантиков, соединённых последовательно. Общая тепловая мощность 2180Вт. Радиатор снизу и сверху алюминий+ вентилятор большой.
Подключены были первый год к большому контроллеру (на фото), во второй год — к малому (на фото 30А), все подключения шли через ваттметры (на фото), люблю я их, удобно. Вот мощность с них и снимал — правый нижний угол — мощность на данный момент, левый нижний общая выработка.
0ватт — когда печь холодная, потом постепенное увеличение до прим 30ватт (максимум, что наблюдал, без записи это 37ватт), потом остывание и опять 0 ватт.
Все что выше — это цитаты с Форумхауса 2011-2014 годов.
Теперь о том, что есть сейчас. И о опыте.
Маленький и маломощный ТЭГ на одном элементе Пельтье сгорел на второй год. Не предназначены они все таки для печки. А вот большой блок из мерканцев вполне живой
Хотя года два я его и не доставал. Расчехлил его только в декабре 19-го. Солнца было мало и в качестве малой поддержки покатил.
Итак конструкция: четыре элемента, последовательно соединённых, между двумя ал.радиаторами. Нижний радиатор для того, чтобы немного снизить температуру чугунины, а верхний, чтобы рассеять побыстрей максимум. Сверху ручка. Снял-поставил обратно. Провода на автомат
А с него, через DC-DC преобразователь, на аккумуляторы.
В первые года крепилась еще стойка с вентилятором для обдува радиатора, но потом выкинул ее. Не нужна. Проще передвинуть по чугунине печки куда нибудь на край. Там где похолодней.
Этой зимой топлюсь осиной и липой в основном, а от них жара мало. И чугунина особо и не разогревается. Почти нужные 180 градусов и есть.
Теперь по выработке. Жить на такой выработке невозможно. Только в качестве хобби или для малой подзарядки аккумуляторов.
Реальный КПД на производство энергии с них, при дельте в 60градусов — 2,4%. То есть от 2 с лишним штатных киловатт остается 52 ватт в час.
У меня при средней топке в 2.5-3 часа, идет выработка энергии до 5 часов(вместе с остыванием). И суточная выработка от 140 до 190 ватт. В месяц около 5квт.
Последние года я забросил эту игрушку, потому как и ветряк и солнечные батареи даже зимой дают на порядок больше, но в этом году как-то звезды неудачно сошлись. И контроллер ветряка полетел. Пришлось две недели новый ждать. И солнца до нового года почти не было. Поэтому и вытащил с антресоли этот агрегат.
Но на 21 января он опять закинут на антресоль.
PS стоили 8 лет назад такие штатовские элементы на ебэе 25$. Сейчас таких не видел, только гонконгские.
PPS есть у меня почти со школьных лет приятель Витя. Человек очень сложной судьбы. Сейчас он вроде как бомж. И живет в основном рядом или под или над тепломагистралями. Вот ему я подарил пять лет назад такую установку. Бочины трубы больше 100 градусов, и 24 часа в сутки. Теперь Он с нотебуком не расстается. И лампочка светит постоянно.
приятель витя пикабушник по-любому..))
Все это полная хуйня, уж извини афтар. В свое время рассчитывал, но учитывая КПД пельтьешек на генерацию даже на стадии расчета получается полная хуйня.
Ну во первых не ватт — а ватт/ч. 5 квт/ч стоят для сельской местности рубля 3 за штуку — и того за ГОД — 12*5*3 = 225р — на такую сумму можно нагенерить за целый год, это же почти 4$. Круто, учитывая что один элемент стоит 25$ — можно за 6 лет отбить, если не сгорит.
Во вторых — он скорее всего сгорит, так как надо во первых его не перегреть, а во вторых стремится максимально нагреть — как контролить нагрев, нууу я ваще хз. А насколько помню — паяны они низкотемпеатурным припоем. Нагревать нужно по максимуму — нужна дельта как можно больше с холодной стороной, которую нужно снабжать гигааантским радиатором если в него реально запулить 2квт ))) С радиаторм и некоторой системой контроля нагрева вся эта шарабайка не отобъется и за 50 лет.
ПыСы: у мну была идея для походного генератора от костра, при чем была мысля делать что-то типа котла с кипящей водой, что не давало бы элементам перегреться.
в далеком будущем когда сделают ткань с таким эффектом то одевшись в одежду из неё можно будет собирать с тела человека энергию, охлаждать в жару и обогревать в холод
вот есть аэрогель материал с очень малой теплопроводимостью, вот бы его внутрь Пелтешки чтоб он не давал одной стороне так сильно нагреваться от другой
а сейчас это баловство не больше
Читать невозможно! Автор, купи букварь!
Автономная солнечная система в Подмосковье
Здравствуйте. Буквально вчера поднимал эту тему: Солнышко на новый год и на удивление появилось много вопросов и просьб разъяснить особенности: #comment_157927435. Многое ответил в комментариях. Здесь просто объединяю и дополняю.
Солнечная система состоит из двух независимых блоков. Первый из 15 панелей по 100ватт. Второй из ветряка на 400 ватт и панелей на 280 ватт. Отдельно в доме, в качестве аварийной палочки-выручалочки на темные дни, расположена сборка ТЭГ термогенератор на элементах Пельтье. Весь декабрь очень выручает. Про ветряк я на пикабу уже писал год назад: Про ветряк в развитие сюжета.
Управляются блоки также порознь двумя MPPT контроллерами. Один тайваньский MPP Solar на 60А, другой американский OutBack 80A: https://shop.solarhome.ru/outback-flexmax-80-kontroller-zary. . Инверторов на 220 тоже два. От немецкой Солартроникс на 1 и 2 квт. Проводок параллельных тоже две: на 12/24 и на 220 вольт. Вот такой я извращенец.
Система собиралась с 2010 года по 2015-й. Последние 4.5 года ничего не менялось.
Аккумуляторы Leoch 12/100 8 штук свинец. Работают кстати уже с 2013 года, не нарадуюсь. Аккумуляторы Deka 12/100 4 штуки тоже свинец. Похуже.
Лампы освещения везде светодиодные на 12 вольт, чаще самопайки-самоделки, реже покупные.
Телевизор и ноутбуки с зарядками подключены в низковольтовую сеть через прикуриватели.
На инверторной сети 220 вольт живет только холодильник А+ и насосы колодезные и в доме.
За 10 лет автономной жизни поменял много разных элементов системы. Могу многое сказать про аккумуляторы Delta- г.вно, заливка Пентэласт- г.вно, китайские аналоги немецких контроллеров- г.вно. Литиевые батареи неразумно. Много было выкинуто денег псу под хвост, но это в прошлом.
Цена всех компонентов в современных условиях примерно 250-300 тысяч плюс работа.
В условиях Подмосковья такая конфигурация даёт избыток энергии с февраля по октябрь включительно. Для любых нужд. Проблемы возникают с ноября по январь. Самые проблемы с 20 ноября по 20 января. Это усредненно за десять лет.
Летом же ветряк чаще стоит отключенным, также изредка включаю панели. Электричества больше, чем я могу съесть.
Мои потребности в электричестве зимой ужимаются до 60 квтч в месяц. Летом трачу 250-300 квтч. Если вести активно стройку, то до 1000 квтч в месяц. Система это позволяет. Свет, ноутбук, насосы, вентиляция, телевизор, зарядки, холодильник работают штатно всегда.
PS Если вы привыкли к электропечке/духовке, электрочайнику, микроволновке, утюгу, мощному холодильнику. Т.е. к любому мощному потребителю более 1.5 квт, то эта система не потянет ваши потребности. Только летом. Если же вы сможете без этого обходиться, то система может работать круглый год.
PPS Сделал такую систему не потому, что выпендрежник или денег некуда девать, а потому, что СНТ отключает свет на полгода, а МОЭСК не вмешивается. Судиться не прельщает. Тянуть собственную линию за 1.5 км и ставить свой трансформатор намного дороже. Слушать тарахтящий генератор на природе не хочется. Поэтому и получилось, что получилось.
PPPS Вроде приняли закон о микрогенерации и отдаче в сеть. Весной поинтересуюсь, посчитаю и может быть займусь этим.
XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2019
Элемент Пельтье, как генератор альтернативной электрической энергии
Часто приходится снабжать удаленные объекты дорогой электроэнергией в виде дизельных и бензиновых генераторов, что достаточно затратно, поэтому возникает вопрос экономии, и возможные пути решения данного осложнения. Объектом исследования для решения этой проблемы был взят альтернативный источник генерация электроэнергии с помощью термоэлектрического преобразователя на основе элемента Пельтье (ЭП). Принцип действия, которого базируется на возникновении разности температур при протекании электрического тока. В основе работы ЭП (рис. 1) лежит контакт двух полупроводниковых 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. По мере поглощения этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. А во время протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта, дополнительно к обычному тепловому эффекту. Таким образом электрический ток переносит тепло с одной стороны элемента Пельтье на противоположную и создаёт разность температур.
Рис. 1 Строение элемента Пельтье
Достоинствами элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие шума, каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При смене направления тока возможно, как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже установленного порога.
Недостатком ЭП является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур.
Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.
В батареях элементов Пельтье возможно достижение большей разницы температур, но мощность охлаждения будет ниже. Для стабилизации температуры лучше использовать импульсный источник питания, так как это позволит повысить эффективность системы. При этом желательно сглаживать пульсации тока – это увеличит эффективность работы ЭП и продлит срок его службы.
Т.к. работа элемента Пельтье основывается на разности температур, то одним из перспективных мест для применения будут являться регионы с холодным климатом. На данных местностях для комфортной жизнедеятельности человека, как правило, имеется система отопления помещений, а, следовательно, создается необходимая разность температур. Снаружи температура может опускаться ниже 20 градусов по Цельсию, но в помещение она должна оставаться комфортной для человека. Из этого положения можно извлечь выгоду, поместив на стыке разности температур элементы Пельтье. За счет этого можно значительно снизить энергозатраты в холодное время года, получая и при необходимости запасая электроэнергию.
Но элемент Пельтье не обязательно использовать в зонах с холодным климатом, его так же можно применить в областях с гидротермальными источниками, где стык температур будет появляться от горячей воды с одной стороны и охлаждающим радиатором, с другой стороны (рис.2). За счет этой разницы можно получить неплохой запас мощности, которую можно использовать, например, для питания оборудования, эксплуатируемого для изучения этих самых источников
Рис.2 Применения элемента Пельтье в геотермической зоне
Другим местом установки автономного генератора на основе элемента Пельтье, могут быть регионы с теплым или жарким климатом, где одна сторона будет повернута к источнику тепла, например, к Солнцу, а вторая помещена в землю, с естественным или принудительным охлаждением (рис.3). Одним из примеров такого расположение может являться погреб. Также эти элементы очень удобны во время походов, так как за их счет можно зарядить смартфон на энергии костра или запитать фонарик с помощью тепла организма.
Рис.3 Элемент Пельтье в погребе
Из выше перечисленных аргументов возникает вопрос внедрения автономных генераторов электрической энергии на основе элемента Пельтье точечно в выгодные области применения. Но на данный момент их производство не сильно развито из-за нехватки большого количества потребителей, и поэтому ЭП имеют большую стоимость. Средняя цена за 1 ячейку, стандартного размера 40 x 40 мм, составляет 80 рублей. Но как только данным генератором заинтересуется мировое сообщество, а именно выгодоприобретатели в качестве инвесторов, их производство начнет развиваться, а цена уменьшаться, и в дальнейшем появиться разнообразные размеры ячеек.
На сегодняшний день реализуемо и выгодно использовать данный элемент в качестве компактных и переносных генераторов малой мощности. Рассмотрим мобильные устройства на основе элементов Пельтье. А именно переносное зарядное устройство для телефона и других мобильных устройств. Чем больше будет перепад температур между телом человека и окружающей средой, тем выше будет эффективность ЭП и тем меньше понадобиться элементов-ячеек, но для максимально КПД необходим перепад температур в 100 градусов по Цельсию, а один стандартный элемент-ячейка при таких условиях вырабатывает 5 В и 2 Вт мощности на холостом ходе, но при нагрузке мощность и напряжение сокращаются вдвое, из-за низкого коэффициента полезного действия. Т.к. элементы Пельтье довольно компактные их можно встроить в неподвижные области штанов, куртки и обуви. В итоге одна сторона будет нагреваться от тепла, вырабатываемым человеком, другая охлаждаться от окружающей среды. А для зарядки смартфона необходимо не менее 12 В, т.е. около шести элементов Пельтье. Средняя цена на элемент Пельтье составляет 100 рублей, итоговая стоимость составит 600 рублей, это дешевле обычных переносных зарядных устройств, которые ещё нужно зарядить перед использованием.
Следующим примером, который несложно реализуем, является установка для источника энергии в походе, как зимой, так и летом, от которой можно заряжать различные маломощные потребители, такие как телефоны, фонарики, холодильники на элементе Пельтье, а также запасать электроэнергию в аккумуляторы. Если вырабатывать энергию летом, то эффективным временным промежутком является ночное время суток, т.к. температура опускается до 10-15 градусов, от этого будет питаться сторона с меньшей температурой, а другая нагреваться от костра, который необходим для обогрева экспедиции. Другой, и более эффективный вариант, это использование данного генератора в зимний период, т.к. возможная разница температур будет существенно больше. Одна часть будет соприкасаться с костром, другая с емкостью для снега, к которой прикрепляются радиаторы с вентиляторами. Чтобы выработать мощность в 24 Вт, потребуется около 12 ЭП, кулер на 5,4 Вт, 2 алюминиевых радиатора, термопаста, умножитель напряжения, если потребуется запитать потребители с большим напряжением напряжению, и сама печка из нержавеющей стали. Экономически расчет показывает выгодность данного походного устройства, 12 элементов Пельтье за 1200 рублей (при оптовой закупке будет дешевле), кулер – 800 рублей, термопаста 600 рублей, 2 алюминиевых радиатора по 300 рублей, а для умножителя напряжения потребуется 4 диода и 4 конденсатора общей стоимостью 300 рублей. Итого 3500 рублей за походный автономный источник электроэнергии на элементах Пельтье. (рис.5). Он не занимает много места, поэтому очень удобен в походах и экспедициях. Если одного генератора будет недостаточно, есть два пути решения: — добавить ещё один генератор; — улучшить схему умножителя напряжения посредством добавления диодов и конденсаторов.
Рис. 4 Переносной генератор Пельтье
Но одним из самых эффективных и логических способов использования ЭП, является внедрение его в удаленные метеостанции, которые расположены по всему земному шару. Будь это холодный климат, где данный генератор будет намного эффективнее, либо же в областях, где температура окружающей среды не опускается ниже 15 градусов по Цельсию. Один из примеров такого использования будут являться метеостанции и другие объекты, находящиеся в Арктической зоне. Т.к. в наши дни значение Арктики многократно возрастает. Она становится местом самого пристального внимания стран и народов в качестве региона, от самочувствия которого во многом зависит климат планеты, и в качестве сокровищницы уникальной природы, и, как территория с колоссальными экономическими возможностями, с огромным экономическим потенциалом.
Экономическая часть
Объектом исследования была выбрана метеостанция в Арктической зоне.
Для наблюдения за изменениями климата исследователю (человеку) необходимо жильё с комфортными условиями жизни, а именно: отопление и электричество. Необходимая мощность 12 кВт, включающая в себя:
Персональные компьютеры для обработки данных, полученных в результате наблюдения — 800Вт
Холодильник 200 Вт
Прожектор для ночного освещения — 300 Вт
Микроволновая печь СВЧ — 1500 Вт
Обогреватель — 1500 Вт
Электрочайник — 1500 Вт
Стиральная машина — 3000 Вт
Электроплита (2 конфорки) — 4000 Вт
Для обеспечения энергией понадобится бензиновые генератор Robin-Subaru (Россия) EB 12.0/230-SLE. Его цена составляет 213 тысяч рублей.
Производитель: Robin-Subaru ( Россия);
Мощность: 12 кВт\12кВА;
Напряжение: 230 В;
Коэффициент мощности: 1 (сos φ);
Коэффициент фаз: 1;
Вид топлива: бензин;
Расход топлива при нагрузке 75%: 3,8 литра;
Ёмкость топливного бака: 26 литров;
Уровень шума: 74 Дб;
Преимущества генератора Robin-Subaru:
Низкая цепа (в сравнении с другими генераторами мощностью 12 кВт).
Расход генератора в час будет составлять 169,1 рубль (при нынешней цене на бензин 44,50 р за литр). Учитывая, что генератор расходует полный бак за день, можно сделать вывод , что затраты на день составят 1157 рублей.
При установке элементов Пельтье на такую же мощность, нам понадобится 6000 штук, которые будут стоить около 550000 рублей (цена указана при поштучной покупке, оптом будет дешевле). Элементы Пельтье не требуют дополнительных расходов для производства энергии, они экологичны и бесшумны. Период самоокупаемости начнётся меньше чем через год, т.к. заправлять генератор необходимо каждый день, в течении года необходимо затратить 420 тысяч, это без учёта цены на доставку бензина. И в итоге за год с генератором расход составит 633 тысячи, при элементах Пельтье 650 тысяч.
Сложностью электроснабжения объектов в Арктической зоне является отсутствие традиционных источников электрической энергии, поэтому на данный момент их замещают с помощью мобильных генераторов и электростанций, побочным эффектом которых является дорогая стоимость электроэнергии.
Рис.5 Установка ЭП в зонах Арктики и Крайнего Севера
Этот недостаток можно значительно уменьшить за счет внедрения автономных генераторов Пельтье, которые будут устанавливаться на стыке температур, в данном случае это будут стены сооружений, снаружи которых будет значительно ниже 0 градусов по Цельсию, а внутри значительно выше 0. А полученную электроэнергию для стабилизации запасать в аккумуляторные батареи (рис.4).
Таким образом, на данный момент использование элемента Пельтье экономически целесообразно только в условиях, где можно получить большой перепад температур, не приводя к дополнительным расходам. В таких зонах как Арктики, Антарктики и регионы Крайнего Севера. Либо в качестве мобильного маломощного электрогенератора, когда нужно получить электрическую энергию, не затратив на это больших ресурсов, и не имея громоздких конструкций.
Список литературы:
Арктика и Антарктика. Вып. 3 (37) / РАН, Науч. совет по изучению Арктики и Антарктики : отв. ред. В. М. Котляков. — М. : Наука, 2004. — 247 с.
Физика твердого тела Учеб. пос. / А. А. Василевский – М.: Дрофа, 2010. – 206 с.
Теория твердого тела / О.Г. Медалунг. – М.: Наука, 1980. – 418 с.