Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Аннотация

В дипломном проекте рассматривается тема: «Проектирование зарядного устройства акумулятора на основе термоэлектрического модуля»

Ключевые слова: разработка зарядного устройства, термоэлектрический модуль, повышающий преобразователь.

Цель дипломного проекта: Разработка зарядного устройства на основе термоэлектрического модуля.

В результате выполнения проекта был подобран и структурирован необходимый материал, разработано зарядное устройство, описан принцип его работы.

Введение

Современный человек активно использует мобильные устройства для работы и развлечений, однако они перестают работать в случае разрядки аккумулятора. Вдали от линий электропередач зарядка аккумулятора мобильного устройства может оказаться весьма большой трудностью. Поэтому проблема сохранения заряда аккумулятора мобильных и портативных устройств является одной из наиболее острых для большинства пользователей.

Почти каждый не раз сталкивался с подобного рода проблемой, когда из-за разряженной батареи сотового телефона не мог позвонить домой. В связи с этим у меня появился проблемный вопрос: можно ли создать альтернативный источник энергии для зарядки мобильных устройств в походных условиях.

Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Актуальность изучения термоэлектричества обусловлена возможностью обеспечения автономного питания маломощных устройств от любого источника тепла.

Объект исследования: термоэлектричество как физическое явление.

Предмет исследования: термоэлектрический генератор. Цель исследования: осуществить поиск условий, при которых мы добиваемся повышения напряжения на выходе у альтернативного источника. Для достижения этой цели я поставил перед собой следующие задачи: изучить информацию об открытии термоэлектричества и его использовании, изучить природу электрического тока в проводниках и полупроводниках и причины возникновения в них термоэлектричества, создать термоэлектрогенератор, практическим методом определить условия, при которых повышается напряжение у термоэлектрогенератора, сделать выводы по результатам работы. Для достижения цели мною были использованы следующие методы: анализ литературы по основным понятиям термоэлектричества, поиск наиболее оптимальных сочетаний материалов для создания термоэлектрогенератора, полевые исследования, статистические методы обработки информации.

1. Аналитическая часть

1.1 Виды аккумуляторов и способы их подзарядки

Электрический аккумулятор - источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве и в других сферах

Значение и употребление слова

Термин "аккумулятор" используется для обозначения:

- отдельного элемента: например аккумулятор, аккумуляторная банка, аккумуляторная ячейка

- нескольких отдельных элементов, соединённых последовательно (для увеличения напряжения) или параллельно (для увеличения силы тока) друг с другом: например аккумуляторная батарея

Принцип действия

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединённых в одну электрическую цепь, составляют аккумуляторную батарею.

Свинцово-кислотный аккумулятор

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в среде серной кислоты (см. рисунок 1.1.). Химическая реакция (слева направо - разряд, справа налево - заряд):



Рисунок 1.1 - Свинцово-кислотный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор (см. рисунок 1.2) состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC₆, окислы (LiMO₂) и соли (LiMRON) металлов.

Рисунок 1.2 - Литий-ионный аккумулятор

Литий-полимерный аккумулятор

В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя. Используется в мобильных телефонах, цифровой технике и пр.

Современные разработки в области технологий на основе лития привели к появлению Li-Pol-аккумуляторов в сверхкомпактных корпусах (толщиной менее 4 мм) с упрощенным монтажом кристалла в корпусе (высокое напряжение на клеммах элемента позволяет делать портативные источники питания только с одной ячейкой). Относительно низкое внутреннее сопротивление одноэлементных батарей с комбинированным электролитом позволяет отдавать высокий ток в течение коротких импульсов нагрузки.

В чем же заключаются основные различия между классическим Li-Ion-аккумулятором и Li-Ion-Pol, который сегодня «ошибочно» называют Li-Polymer. Хотя характеристики и эксплуатационные показатели этих двух систем очень похожи, Li-Ion-Pol не имеет пористого сепаратора, который вызывал постепенную деградацию батарей. Гелевый электролит здесь просто добавлен для расширения ионной проводимости.

Однако вследствие технических трудностей при производстве, достоинства новых батарей не могут проявиться в полной мере, и обещанное превосходство литий-ионных полимеров еще не до конца реализовано. Фактически, энергоемкость новых батарей немного ниже обычных Li-Ion, а цена - выше. Главная причина для перехода к полимерным технологиям пока одна - уменьшение размеров батарей (см. рисунок 1.3).

Таким образом, основная область применения Li-Pol батарей сегодня - это мобильные телефоны, где повышение безопасности, уменьшение размеров и веса устройств являются весьма существенным стимулом для выбора именно этой технологии.



Рисунок 1.3 - Литий-полимерный аккумулятор

Алюмини-ионный аккумулятор

Алюминий-ионный аккумулятор состоит из металлического алюминиевого анода, катода из графита в виде пены и жидкого ионного невоспламеняющегося электролита. Батарея работает через электрохимическое осаждение и растворение алюминия на аноде, и интеркаляцию/деинтеркаляцию анионов хлоралалюмината в графит, используя ионный жидкий электролит. Количество возможных перезарядок батареи - более 7,5 тыс. циклов без потери мощности. Время перезарядки - 1 минута (см. рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 - Алюминий-ионный аккумулятор

Характеристики аккумуляторов:

Ёмкость аккумулятора

Максимально возможный полезный заряд аккумулятора называется зарядной ёмкостью, или просто ёмкостью. Ёмкость аккумулятора - это заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах, на практике часто используется внесистемная единица - ампер-час. 1 Ампер-час = 3600 Кл. Ёмкость аккумулятора указывается производителем. Не путать сэлектрической ёмкостью конденсатора.

В настоящее время всё чаще на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость - энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях, на практике используется внесистемная единица - ватт-час. 1 Вт?ч = 3600 Дж.

Плотность энергии

Плотность энергии - количество энергии на единицу объёма или единицу веса аккумулятора.

Плотность хранения энергии в электрохимических аккумуляторах мала: у свинцово-кислотных - 64 кДж/кг, у никель-кадмиевых 110 кДж/кг, у топливных элементах (при различных сроках разрядки) от 15 до 150 кДж/кг. Есть еще "горячие" аккумуляторы с расплавленным электролитом (300...600°С), например, серно-натриевые, у которых плотность составляет 800 кДж/кг

Саморазряд

Саморазряд - это потеря аккумулятором ёмкости после полной зарядки при отсутствии нагрузки. Саморазряд проявляется по-разному у разных типов аккумуляторов, но всегда максимален в первые часы после заряда, а после замедляется.

Для Ni-Cd аккумуляторов считают допустимым не более 10% саморазряда за первые 24 часа после проведения зарядки. Для Ni-MH саморазряд чуть меньше. У Li-ion он пренебрежимо мал и значительно себя проявляет в течение месяцев.

В свинцово-кислотных герметичных аккумуляторах саморазряд составляет около 40% за 1 год при условии 20°С и 15% при 5°С. Если температуры хранения более высокие, то саморазряд возрастает: батареи при 40°С теряют ёмкости 40% всего за 4-5 месяцев.

Для VRLA-батарей при стандартных условиях хранения (20°С) эта величина составляет 3% в месяц. Кроме того при хранении свинцово-кислотных батарей любого типа в течение продолжительного времени, на отрицательных пластинах образуется сульфат свинца. Это явление называют «сульфатацией».

Сульфатация приводит к увеличению внутреннего сопротивления батареи и ухудшению разрядных характеристик. Поэтому по истечении определенного времени (примерно 12 месяцев при 20°С) требуется подзаряд аккумулятора. Увеличение температуры хранения приводит к увеличению скорости саморазряда и сокращению сроков хранения батареи без подзаряда. на рисунке 1.5 показана зависимость скорости саморазряда и сроков хранения батареи при различных температурах окружающей среды.

Рисунок 1.5 - Саморазряд батареи при различных температурах.

Заявленный срок службы VRLA-батарей составляет 5-10 лет. Но это при идеальных условиях эксплуатации. В реальности на срок службы влияют несколько факторов и один из них температура. Известно, что при увеличении температуры на каждые 10°С от стандартной (20°С) срок службы батареи сокращается в 2 раза. Следует учитывать и то, что увеличение температуры на каждые 5°С от расчетной, дает увеличение емкости и улучшение разрядных характеристик на 3-10% в зависимости от продолжительности разряда. Некоторые производители дают разрядные характеристики своих аккумуляторов при 25°С не указывая при этом, что срок службы заведомо будет меньше как минимум на треть, на рисунке 1.6 показана зависимость срока службы аккумулятора от температуры окружающей среды.

Рисунок 1.6 - Зависимость срока службы от температуры.

VRLA-батареи очень чувствительны к величине зарядного тока, который в свою очередь зависит от внутреннего сопротивления батареи. Без температурной компенсации соотношение между образовавшимся и рассеянным теплом может быть нарушено при высоких температурах окружающей среды (более 40°С). Такое лавинообразное увеличение внутренней температуры («Тепловой разгон») приводит к разрушению батареи в короткие сроки. На рисунке 1.7 представлена зависимость напряжения заряда от температуры окружающей среды при температурной компенсации.



Рисунок 1.7 - Температурная компенсация зарядного напряжения.

При отрицательных температурах окружающей среды работоспособность аккумуляторов главным образом зависит от температуры замерзания связанного электролита.

Температурный режим

Берегите аккумуляторы от огня и воды, чрезмерного нагревания (охлаждения), резких перепадов температур. Не используйте аккумуляторы при температурах выше +40°С и ниже -25°С.

Для литий-ионных аккумуляторов габарит, емкости и цены, а также надежности в эксплуатации по праву сделали их лидерами среди портативных источников питания.

Практически каждый раз приобретая технику, можно услышать от продавца советы по использованию литий-ионных батарей, точнее о их первом шаге во взрослую жизнь. Это и первая зарядка в течении 15 часов, и 3-5 полных рабочих цикла, иногда советуют заряжать и разряжать аккумулятор полностью, в общем советов хоть отбавляй, а вот где истина, сейчас попробуем разобраться.

Основные правила ухода за аккумуляторными батареями, обычно, прописаны в инструкции к устройству которое, от них питается. Не поленитесь прочитать инструкцию перед началом эксплуатации, а не когда гаджет начинает сбоить, как обычно это делается у нас. И касается это не только эксплуатации батареи.

По поводу первой зарядки в течении 12 часов, выдуманное утверждение, потому как электронная система защиты BMS попросту не даст аккумулятору заряжаться больше положенного времени.

Совет по поводу нескольких рабочих циклов (полностью зарядить аккумулятор и разрядить, дабы он «запомнил» истинную свою емкость), литий-ионные аккумуляторы обладают замечательной «памятью», и запоминают все с первого раза. Может кому-то покажется, что первые несколько дней устройство, будь-то фотоаппарат, мобильник, или что-то иное, быстро разряжается. Здесь мы видим то же самое, пока разберешься в устройстве, пока похвастаешься знакомым, при интенсивном использовании батарея, естественно, садится быстрее. По прошествии некоторого времени устройство входит в свой рабочий режим, использование происходит только по необходимости, а это положительно сказывается на автономности.

Полный цикл заряда/разряда требовался никель-кадмиевым аккумуляторам, они могли при неполном заряде/разряде терять свою номинальную емкость. К литий-ионным батареям это не относится. К тому же полный разряд просто противопоказан литий-ионным аккумуляторам, правда электронная система защиты просто не даст аккумулятору полностью разрядится, но, представьте ситуацию, - разряженная батарея лежит долгое время, заряд естественно утечет, и система защиты попросту заблокирует дальнейшую работу аккумулятора.

Избыточный заряд, кстати, тоже вреден, но за этим следит все та же система защиты. Иногда могут посоветовать производить заряд батареи как угодно, но, главное что бы раз в недельку производился полностью заряд (для восстановления памяти аккумулятора). Этот совет актуален для никель-металлгидридных аккумуляторов, у них то же имеется так называемая «память», но, она восстанавливается полностью, в отличии от никель-кадмиевых, после 1-2 полных циклов заряда. Для литий-ионных батарей такой совет может быть актуален только в случае долгого неиспользования батареи.

Продолжительность жизни аккумулятора:

Продолжительность жизни литий-ионных батарей зависит как от циклов заряда/разряда, так и от времени использования. Дело в том, что пролежавший год в шкафу аккумулятор потеряет в среднем 5-10% емкости, поэтому, рекомендовано при покупке портативной техники обращать внимание на дату выпуска батареи.

Продолжительность жизни от количества циклов заряда наглядно показана в таблице 1.1:

Таблица 1.1 - Продолжительность жизни аккумуляторной батареи

Глубина заряда	Количество циклов (продолжительность жизни)
100%	500
50%	1500
25%	2500
10%	4700

Как видно, чем меньше мы заряжаем аккумулятор, тем дольше он нам будет служить, хотя 500 циклов - это около 3 лет использования (при условии, что зарядка батареи происходит раз в пару дней), как по мне - устройство морально устареет быстрее, чем аккумулятор выйдет из строя.

Температурный режим и хранение

Оптимальным температурным режимом для литий-ионных аккумуляторов является +20 градусов. Стоит помнить, что понижение температуры сказывается на отдаче тока, а при повышении активизируется «процесс старения».

Заряжать батарею стоит только при плюсовых температурных режимах, в противном случае гарантирован выход аккумулятора из строя. Оптимальным температурным режимом хранения неиспользуемого аккумулятора является температура +5 градусов. Батарея заряжается до уровня 40-50%, герметично упаковывается, и в холодильник, только не в морозилку, там температура намного ниже рекомендуемой.

Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые - к переразряду, напряжению и температуре. NiCd и NiMH-аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться капельная подзарядка.

К сожалению, в большинстве случаев возможность систематического использования аккумуляторов есть только в портативных устройствах радиосвязи и иной цифровой технике, где используются литий-ионные аккумуляторы и система контроля заряда и разряда встроена в устройство. В бюджетном сегменте "простые" никель-металл-гидридные и никель-кадмиевые аккумуляторы используются в качестве бюджетной замены щелочных элементов питания. В качестве источника тока для бюджетного аккумуляторного электроинструмента используются никель-кадмиевые аккумуляторы. Если в первом случае обычно есть возможность выбирать между бюджетным устройством "стандартного" заряда и з/у. с контролем заряда (капельный заряд, импульсный заряд, ускоренный заряд с контролем напряжения и т. д.), то во втором случае изделие комплектуется как правило трансформаторным источником питания для зарядки постоянным током, что при несоблюдении технических условий эксплуатации аккумулятора снижает срок его службы.

Внешний аккумулятор

Внешний аккумулятор (аккумуляторная батарея) - устройство для многократной подзарядки мобильного устройства (телефона, смартфона, планшетного компьютера) при отсутствии источника переменного тока (электросети).

Причиной появления этих устройств стало то, что при активном использовании современных смартфонов и планшетов заряда их аккумуляторов хватает на сравнительно короткое время - полдня или день. Для их зарядки в полевых условиях и были разработаны портативные аккумуляторы. Типичный вес таких устройств - от нескольких сотен грамм, ёмкость от нескольких тысяч мА·ч до 10-20 А·ч, с их помощью можно перезарядить телефон 2-3 раза. Чаще всего они предоставляют для подключения порт USB, некоторые имеют разъёмы или переходники для популярных мобильных телефонов. Самые ёмкие устройства могут иметь переходники для зарядки ноутбуков. Иногда на внешних аккумуляторах имеется индикатор заряда или встроенный светодиодный фонарик.

Внешние аккумуляторы имеют такую важную характеристику, как ёмкость. Ёмкость говорит о том, какое количество энергии может хранить аккумулятор. Ёмкость внешнего аккумулятора может быть от 2000 до 35000 mAh, а ёмкость внутренней батареи среднего по мощности смартфона составляет примерно 2500 mAh. т.е. от среднего по мощности на данный момент внешнего аккумулятора (17000 mAh) вы сможете заряжать свой смартфон со средней по мощности батареей до 6 раз! Такого количества энергии с лихвой хватит для бесперебойной работы всех ваших мобильных гаджетов на протяжении очень долгого времени.

Универсальные портативные внешние аккумуляторы очень часто имеют расположенный на корпусе световой индикатор, показывающий процент от максимально объёма энергии и вы всегда будете знать на какое количество энергии для зарядки мобильных устройств можно рассчитывать.

Некоторые производители в комплект к портативному аккумулятору вкладывают переходники, с помощью которых можно подзарядить практически любое устройство, но если таких переходников нет, то вы всегда можете использовать USB кабель от вашего устройства, который вы используете для синхронизации с компьютером, или обратить внимание на универсальный USB-Кабель 10 в 1.

Методы заряда аккумуляторов:

Для заряда аккумуляторов применяется несколько методов. Как правило, метод заряда зависит от типа аккумулятора и обеспечивается зарядным устройством.

Первый заряд аккумулятора

Перед тем как начать в полной мере пользоваться своим новым мобильным телефоном, сперва стоит подумать о том, как правильно его заряжать. Ведь правильная зарядка аккумулятора может продлить ему срок службы:

- для начала надо полностью разрядить аккумулятор, т. е. до такой степени, чтобы телефон сам выключился. Далее откройте инструкцию пользователя, там найдите главу, посвященную первой зарядке телефона. Здесь же будет указано, какое время для этого потребуется. После подключите зарядное устройство. Полный набор энергетической емкости аккумулятора займет около 10-19 часов.2

- телефон можно оставлять на подзарядку, на ночь. При этом желательно его отключить, чтобы батарея была сосредоточена только на накапливании энергоресурса, а не на разделении его по электронике устройства.3

- когда индикатор покажет, что батарея полная, это значит, что закончен быстрый заряд, далее продолжается медленный. Вам не следует держать аккумулятор на зарядке больше двадцати четырех часов, чтобы не допустить перенакопления энергии.4

- подобную процедуру от полной разрядки до полной зарядки нужно провести два-три раза, тогда ваш телефон будет готов прослужить вам больше по времени даже при большой нагрузке и маленьких температурах. В просторечии такой процесс называется «тренировка». Однако она необходима только для никелевых батарей, если у вас литиевая - она не нуждается в «тренировке», ее сразу можно использовать в обычном режиме.5

- никелевые (NiMH - никель-металл гидридные) батареи и впоследствии рекомендовано ставить на зарядку при условии ее полного отсутствия. Систематическая длительная зарядка (например, в ночное время) может уменьшить его полезную емкость.6

- литий-ионные (Li-Ion) батареи, напротив, предполагают длительную зарядку. Если индикатор показал наполнение, это значит набрано лишь около восьмидесяти процентов, оставшиеся двадцать будут накоплены в течение последующих 2-3 часов.

Медленный заряд постоянным током:

Заряд постоянным током величиной 0.1 С или 0.2 С в течение примерно 15 или 6-8 часов соответственно. Самый длительный и безопасный метод заряда. Подходит для большинства типов аккумуляторов.

Быстрый заряд:

Сокращение времени зарядки достигается простым увеличением зарядного тока. Заряд постоянным током, равным 1/3 С в течение примерно 3-5 часов. Необходимо сказать, что этот способ не самый лучший - слишком высокий ток способствует быстрому износу АКБ. Но иногда просто нет иного выхода, и приходится рисковать батареей ради экономии времени.

Ускоренный или дельта V заряд:

Заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда - примерно полтора часа. Возможен разогрев аккумулятора и даже его разрушение.

Реверсивный заряд

Выполняется чередованием длинных импульсов заряда с короткими импульсами разряда. Реверсивный метод наиболее полезен для заряда NiCd и NiMH аккумуляторов, для которых характерен так называемый «эффект памяти».

1.2 Термоэлектрический модуль

Элементом Пельтье (см. рисунок 1.8) принято называть преобразователь, который способен работать от разности температур. Происходит это путем протекания электрического тока по проводникам через контакты. Для этого в элементах предусмотрены специальные пластины. Тепло от одной стороны переходит в другую.

На сегодняшний день указанная технология является востребованной в первую очередь из-за значительной мощности теплоотдачи. Дополнительно устройства способны похвастаться компактностью. Радиаторы для многих моделей устанавливаются слабенькие. Связано это с тем, что тепловой поток довольно быстро остывает. В результате нужная температура поддерживается постоянно.

Рисунок 1.8 - Элемент Пельтье

Подвижных частей указанный элемент не имеет. Работают устройства абсолютно бесшумно, и это является несомненным преимуществом. Также следует сказать, что эксплуатироваться они способны очень долго, а случаи поломок возникают крайне редко. Самый простой тип состоит из медных проводников с контактами и соединительными проводами. Дополнительно с охлаждающей стороны имеется изолятор. Изготовляют его, как правило, из керамики или нержавеющей стали.

Зачем нужны элементы Пельтье?

Элементы Пельтье чаще всего используются для изготовления холодильников. Обычно речь идет о компактных моделях, которые могут применяться, к примеру, автомобилистами в дороге. Однако на этом область применения устройств не подходит к концу. В последнее время элементы Пельтье активно начали устанавливать в звуковую, а также акустическую технику. Там они способны выполнять функции куллера.

В результате охлаждение усилителя устройства происходит без какого-либо шума. Для портативных компрессоров элементы Пельтье являются незаменимыми. Если говорить о научной отрасли, то ученые применяют данные устройства для охлаждения лазера. При этом можно добиться значительной стабилизации волны изучения у светодиодов.

Недостатки моделей Пельтье

Казалось бы, такое простое и эффективной устройство лишено недостатков, однако они имеются. В первую очередь специалисты сразу отметили малую пробивную способность модуля. Это говорит о том, что у человека возникнут определенные проблемы, если он захочет охладить прибор, который работает от сети с напряжением 400В. В данном случае частично поможет решить эту проблему специальная диэлектрическая паста. Однако пробой тока все равно будет высоким и обмотка элемента Пельтье может не выдержать.

Дополнительно указанные модели не советуют применять для точной электроники. Поскольку в конструкции элемента имеются металлические пластины, то чувствительность транзисторов может нарушаться. Последним недостатком элемента Пельтье можно назвать малый коэффициент полезного действия. Достигнуть значительной разности температур указанные устройства не способны.

Анализ литературы позволил выяснить, что термоэлектричество - преобразование тепла в электричество с помощью термоэлектрогенератора. Первым возможность такого процесса обнаружил немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, когда 14 декабря 1820 года на заседании Берлинской академии наук впервые доложил о наблюдении им отклонения магнитной стрелки компаса вблизи замкнутой цепи из двух разнородных металлов, один спай которого нагревался. Суть явления, которое вошло впоследствии в физику под термином «эффект Зеебека», состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещённая вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как и в присутствии магнитного материала.

В замкнутой цепи, составленной из разных материалов (термопаре), места спаев которых находятся при неодинаковых температурах, действует сила, обуславливающая разделение зарядов, получившая название электродвижущей силы (термо- электродвижущая сила). При этом приходится преодолевать силы притяжения друг к другу положительных и отрицательных зарядов, то есть затрачивать работу (А). Отношение работы по перемещению заряда к величине этого заряда (q) называется напряжением (разностью потенциалов) (U). Для поддержания непрерывного тока необходимо, чтобы в этой цепи работало какое-то устройство, в котором всё время происходят процессы, осуществляющие разделение электрических зарядов и тем самым поддерживающие напряжение в цепи. Это устройство называют источником, или генератором.

Проводник - материал, отлично пропускающий электрический ток. Большинство металлов относятся к проводникам. Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. В цепи, составленной из произвольного количества металлов, электродвижущая сила. равна нулю (правило Вольта). Однако положение станет совершенно иным, если мы нагреем какое-нибудь из мест соединения. В этом случае в цепи будет протекать электрический ток до тех пор, пока будет существовать разность температур между спаями.

Таким образом, термоэлемент представляет собой тепловой генератор электрического тока, то есть прибор, в котором часть тепловой энергии, нагревающей горячий спай, превращается в электрическую энергию; остальная часть тепла отдаётся холодным спаем в окружающую среду. Однако вследствие большой теплопроводности металлов поток тепла, переходящего путём теплопроводности от горячего спая к холодному, значительно больше, чем доля тепла, превращаемая в электрическую энергию. Кроме того, сопротивление в металлах зависит от геометрических размеров проводника, т.е. от его длины и сечения, равно как от его состава и строения, определяющих частоту столкновений носителей зарядов с окружающими частицами. Сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника. Сопротивление у металлов также увеличивается с повышением температуры, следовательно, электропроводность (способность тела проводить электрический ток) уменьшается. Обусловленные этими причинами КПД термоэлементов из металлических проволок не превышает 0,5%. Потому металлические термоэлементы совершенно непригодны в качестве технических генераторов тока.

Полупроводник - это материал, который занимает промежуточное место между проводниками (веществами, отлично пропускающими электрический ток) и изоляторами (веществами, почти совсем не пропускающими электрический ток). Многие кристаллы, сплавы, всевозможные соли, окислы являются полупроводниками. Исследование практического значения полупроводников принадлежит советским физикам во главе с Героем Социалистического Труда академиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе. Именно ими в 30-е годы прошлого века была заложена основа развития современной термоэлектрической энергетики. В полупроводнике существует два электрических тока (см. рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 - Полупроводник

Электронный ток в полупроводнике обусловлен движением свободных отрицательно заряженных электронов, которые слабо связаны с ядрами «своих» атомов и легко отрываются с внешней электронной оболочки. Это электронная проводимость. Место, откуда оторвался электрон, называют «дыркой». Дырку немедленно занимает электрон от соседнего атома. Так электроны, не освободившиеся совсем, перескакивают с атома на атом, перемещаясь туда, куда их влечёт электрическое поле. А нарушенная связь между атомами (дырка) тем временем перемещается назад. Вместе с дыркой передаётся положительный заряд. Это дырочная проводимость. Таким образом, в полупроводнике, кроме отрицательно заряженных частичек - свободных электронов, носителями тока служат и положительно заряженные дырки. Они вместе определяют электропроводность полупроводника. Однако, свободные электроны несколько подвижнее дырок. Поэтому электронный ток здесь преобладает - он немного сильнее дырочного. Однако такая электропроводность характерна только для чистых полупроводников.

При введении в полупроводник примесей возникает примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно менять и число носителей заряда того или иного знака, то есть создавать полупроводники с преимущественной концентрацией отрицательного или положительного заряда (см. рисунок 1.10). Примесные проводники n-типа обладают электронной проводимостью. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными - дырки. Примесные полупроводники p-типа обладают дырочной проводимостью. Основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - электроны.

Рисунок 1.10 - Типы полупроводников

С появлением полупроводниковых материалов и технологий учёные вспомнили о возможности превращать тепло в электричество. Если из электронного и дырочного полупроводника сделать термопару и спаянные концы нагреть, а свободные охладить, то в нагретом конце электронного полупроводника появляются освобождённые нагреванием электроны. Они начинают сталкиваться между собой, разлетаться в разные стороны. И при этом многие перекочуют в холодный конец - туда, где свободнее, меньше «толкотни». Но электроны - отрицательно заряженные частички. Стало быть, как только в холодном конце появится их избыток, там возникает отрицательный электрический заряд. В горячем конце дырочного полупроводника возникают дырки. Они также перемещаются в холодный конец. Так как дырка ведёт себя подобно частице, наделённой положительным электрическим зарядом, то холодный конец приобретает положительный заряд. Проводимость полупроводников при повышении температуры растёт и при наличии разности температур между такими спаями возникают электродвижущие силы, которые в десятки раз превышают электродвижущая сила чисто металлических термоэлементов.

Так как величина термо-электродвижущая сила, развивающаяся в отдельном термоэлементе, очень мала, то для получения более значительных электродвижущих сил, отдельные термоэлементы часто соединяют в термобатареи (термоэлектрические модули). Электродвижущая сила батареи из n элементов в n раз больше, чем у одного термоэлемента.

Термоэлектрогенератор представляет собой совокупность термопар, электрически соединённых, как правило, последовательно. В стандартном элементе термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до сотен пар, что позволяет создавать термоэлектрогенератор практически любой мощности.

Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Термоэлектрогенератор используются для энергоснабжения объектов, удалённых от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии. Термоэлектрогенератор незаменим для энергообеспечения космических аппаратов, питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем, а также для обеспечения автономным питанием маломощных электронных устройств.

С помощью термоэлектрогенератора возможно преобразование в электрическую энергию тепла природных источников (например, геотермальных вод), тепла отводимых от автомобильных, корабельных и других двигателей. Всюду, где есть тепло, термоэлектрогенератор легко превратит значительную его долю в самый удобный вид энергии - электрическую. Термоэлектрогенератор обладают такими уникальными качествами как полная автономность, высокая надёжность, простота эксплуатации, бесшумность, долговечность и экологическая чистота.

1.3 DC-DC преобразователь

Преобразователь напряжения - это электронный прибор, который нужен для изменения величины входного напряжения устройства. Преобразователь напряжения может понижать или повышать входное напряжение, а также частоту и величину первоначального напряжения.

Преобразователи бывают AC-DC, DC-AC, DC-DC, AC-AC, где AC - напряжение переменной величины, DC - напряжение постоянной величины. О каждом из них мы подробно поговорим в других статьях. В основном встречаются повышающие DC-AC преобразователи напряжения. Такие преобразователи предназначены для повышения повышение напряжения постоянного источника питания (например аккумуляторная батарея) в иную - переменную величину, в основном встречаются преобразователи 12 вольт - 220 вольт.

Принцип работы простой - состоит из задающего генератора (обеспечивает нужную частоту) усилительного каскада который усиливает напряжения и сам трансформатор напряжения который поднимает начальное напряжение до нужной величины. Как известно, постоянный ток не способен трансформироваться, для того, чтобы трансформировать постоянное напряжение, нужно превратить его в переменное 9 часто под большей частотой, именно для этого используют задающий генератор или генератор импульсов, с которого все и начинается. Импульсы, усиливаются парами полевиков и в первичной обмотке трансформатора, образуется переменное напряжение определенной частоты.

Частота играет важную роль в преобразователе напряжения, от частоты например зависит количество витков во вторичной обмотке (вторичной обмоткой называют ту обмотку, из которой уже выходит трансформированное напряжение). От количество витков зависит выходное напряжение, чем больше витков, тем больше будет и напряжение. Ток (мощность) количества на которую рассчитан преобразователь напряжение зависит от каскадов усиления и от диаметра провода которым намотаны обмотки (больший диаметр обеспечивает большую выходную мощность).

Преобразователи напряжения незаменимый источник автономного питания, если вы в походе, на даче или просто выехали с друзьями на природу и скажем нужно зарядить телефон или включить телевизор или магнитофон с сетевым питанием, тогда вам нужен преобразователь напряжения. Кроме того, есть также преобразователи постоянного напряжения в постоянное другой величины. Например, преобразователь при помощи которого можно зарядить мобильный телефон от одной пальчиковой батарейки или скажем, питать светодиод от низковольтного источника напряжения.

Выводы

В первом разделе (Аналитическая часть) были приобретены теоритические знания о видах аккумуляторных батарей, о способах их подзарядки, о том как продлить их срок службы. Также был рассмотрен термоэлектрический модуль (ТЭМ) - теперь я знаю как он построен, области его применения, как с помощью него (ТЭМ) можно зарядить свой телефон при помощи источника и преобразователя напряжения.

2.Конструкторская часть

2.1 Структурная схема преобразователя напряжения

Инвертор - устройство для преобразования постоянного тока (например 12 В) в переменный ток (например 220 В) с изменением величины напряжения или без. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближенного к синусоиде. Причем получить на выходе можно, теоретически, любой ток, с любыми необходимыми параметрами. Ток, получаемый на выходе, не зависит от входящего - инверторы позволяют получать не статичные параметры тока на выходе, а регулировать его от нуля до максимума, любой частоты и любого напряжения. Источниками постоянного тока 12 вольт, как правило, являются аккумуляторные батареи (АКБ) .

Существуют три режима работы инвертора:

- режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертора.

- режим перегрузки. В данном режиме большинство моделей инверторов в течение нескольких десятков минут (до 30) могут отдавать мощность в 1,2-1,5 раза больше номинальной.

- режим пусковой. В данном режиме инвертор способен отдавать повышенную моментальную мощность в течение нескольких миллисекунд, для обеспечения запуска электродвигателей и емкостных нагрузок.

В течение нескольких секунд большинство моделей инверторов могут отдавать мощность, в 1,5-2 раза превышающую номинальную. Сильная кратковременная перегрузка возникает, например, при включении холодильника.

2.2 BioLite CampStove теплоэлектрогенератор для туристов

BioLite CampStove - это походная печь с наддувом и встроенным теплоэлектрогенератором и зарядным устройством, которую можно использовать по обычному назначению для приготовления пищи и для подзарядки мобильного телефона, фонарика и других небольших устройств (см. рисунок 2.1-2.2).

Рисунок 2.1 - BioLite CampStove

Прекрасная вещь для туристов, рыбаков, военных и всех людей, которые временно или постоянно находятся вне доступа к электричеству. CampStove - очень экономичная малогабаритная печь, которая отапливается дровами, шишками, хворостом и другим твердым топливом. Легкость и малый размер позволит вам с удобством пользоваться зарядкой и эффективной печкой в любых условиях всегда и везде.



Рисунок 2.2 - BioLite CampStove

Существует и российский аппарат «Индигирка» для генерации электричества, который намного более мощный, но он и по габаритам и весу превосходит данный агрегат, поэтому подойдет не для всех случаев. Ознакомиться с его характеристиками можно на нашем сайте.

BioLite CampStove имеет USB-порт, присоединяя к которому мобильный телефон, можно зарядить его. Принцип работы BioLite CampStove основан на эффекте Пельтье. В конструкции данной печки предусмотрен поддув, то есть имеются встроенные вентиляторы, которые раздувают пламя и обеспечивают полное сгорание топлива, повышая КПД печки и, соответственно, улучшая характеристики генератора электроэнергии (например, ускоряя время выхода генератора в стабильный рабочий режим).

Характеристики BioLite CampStove:

- вес: 935 гр, размер в сложенном состоянии: 21 x 12.7 см

- USB-выход, на выходе 2 ватта, 5 вольт, возможный максимум 4 ватта, 5вольт

- совместимость: любые устройства с USB-интерфейсом

- топливо: мелкая древесина

Цена BioLite CampStove традиционно различается в России и за рубежом.

На официальном сайте цена 129,95 долларов США (около 8500 рублей).

2.3 Термофор Индигирка-2

Электрогенерация

Во время работы печи два встроенных термоэлектрогенератора нагреваются и вырабатывают постоянный ток напряжением 12В и общей максимальной мощностью 60 Вт (см. рисунок 2.3). Электрогенератор печи выходит на стабильный режим через 10-15 минут после розжига топлива в печи.

Рисунок 2.3 - Термофор Индигирка-2

Современные материалы:

Печь изготовлена из жаростойкой высоколегированной стали, толщиной 2мм и содержанием хрома не менее 11%. Благодаря этому стенки печи быстро раскаляются и так же быстро начинают прогревать воздух отапливаемого помещения. Применение этого материала позволило значительно уменьшить массу печи. Элементы, не несущие термическую нагрузку, выполнены из конструкционной стали толщиной 1,5мм.

Источник тепла и энергии:

Печь предназначена для рыбаков, охотников, туристов, дачников. Индигирка-2 незаменима для структур, работающих в сфере строительства и обслуживания различных удаленных коммуникаций (автомобильных и железнодорожных магистралей, трубопроводов, вышек сотовой связи), занимающихся геологоразведочными работами, для сотрудников силовых и спасательных ведомств. А также представителей кочевых народов и народов севера, не имеющих доступа к стационарным источникам электроэнергии. Характеристики Индигирки предоставлены в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Характеристики Индигирки

Характеристики
Материал	Жаростойкая сталь
Суммарная площадь поверхностей нагрева	0,6 мІ
Вес	37 кг
Объем топки	41 л
Диаметр дымохода	63 мм
Минимальная высота дымохода	0,28 м
Объем отапливаемого помещения	до 50 мі
Тепловая мощность	4 кВт
Выходное напряжение	12 В
Выходная электрическая мощность	60 Вт

Выводы

В данном разделе дипломного проекта были рассмотрены термоэлектрогенераторы производимые и поставляемые с заводов производителей. В ходе сбора необходимой информации для написания данного дипломного проекта, я узнал о том что существуют различные термоэлектрогенераторы, которые существенно «облегчают» жизнь человека. Все имеющиеся на данный момент ТЭГ использующие эффект Зебека имеют относительно высокую цену.

3. Технологическая часть

3.1 Выбор термоэлектрического модуля

Среди термоэлектрических модулей для зарядного устройства был выбран элемент Пельтье с маркировкой TEC1-12706 (см. рисунок 3.1.) (буквосочетание TEC означает английские слова Thermoelectric Cooler - термоэлектрический охладитель).

Рисунок 3.1. - ТЭМ TEC1-12706

Производителем данного термоэлектрического модуля является HB Corporation. Ниже в таблице 3.1.1 приведены заявленные характеристики от производителя:

Таблица 3.1 - Характеристики TEC1-12706

Обозначение	Параметр	Значение, при температуре горячей стороны
		25 °C	50 °C
Обозначение	Параметр	Значение, при температуре горячей стороны
		25 °C	50 °C
Qmax	Пропускание холода	50 Вт	57 Вт
Delta Tmax	Разность температур	66 °C	75 °C
Imax	Максимальный ток	6.4 А	6.4 А
Umax	Максимальное напряжение	14.4 В	16.4 В
Resistance	Сопротивление	1.98 Ом	2.3 Ом

Габаритный чертеж модуля TEC1-12706 (см. рисунок 3.2):

Обозначение	Размер
A	40 мм
B	40 мм
C	3.8 мм

Рисунок 3.2 - Габариты TEC1-12706

Рекомендации по использования для данного модуля:

- максимально допустимая температура 138 °C.

- недопустимо превышение значения параметров Imax и Umax.

- срок службы 200 000 часов.

3.2 Выбор преобразователя напряжения

Для стабилизации напряжения с выхода термоэлектрического модуля понадобится повышающий преобразователь. Таким преобразователем является DC-DC Boost Module CE8301 (см. рисунок 3.3 - 3.7), входное напряжение 1-5 Вольт, на выходе всегда 5В.

Для зарядного устройства с элементом Пельтье необходим преобразователь, так как КПД у него недостаточный для зарядки телефона, поэтому не обойтись без повышающего преобразователя.

Так как в магазинах с радио деталями я не смог найти подходящих элементов для того чтобы самому собрать преобразователь, а он для функционирования зарядного устройства необходим, то я решил заказать уже готовые с сайта aliexpress.com.

Рисунок 3.3 - DC-DC Boost Module

Рисунок 3.4 - USB выход

Строение преобразователя (см. рисунок 3.2.3):

- USB выход

- разъемы на микросхеме «+» и «-» куда подключается питание

- а также небольшой светодиод, который сигнализирует о работе платы.

Рисунок 3.5 - Основные компоненты преобразователя

Принцип работы

Дело в том что современный сотовый телефон (как правило смартфон), подзаряжается только от тока в 5В, током желательно от 100 mA, максимум 1,2 A - однако например пальчиковая батарея (или аккумулятор типа AA) выдает всего 1.5В то есть зарядить на прямую вы не сможете (даже если каким то образом подсоедините просто угробите телефон).

Однако если подсоединить батарейку к повышающему стабилизатору, то он автоматически поднимет напряжение до 5В и телефон начнет заряжаться, хотя батарейка проработает недолго, но немного зарядит ваш телефон.



Рисунок 3.6 - Преобразователь с подключенным кабелем

Рисунок 3.7 - Подключенный к преобразователю телефон

3.3 Выбор термопасты

Из курса школьной физики можно припомнить информацию о теплопроводности. Есть материалы, которые не проводят тепло, есть те, что частично проводят, и те, что полностью передают температуру. Например, изолирующая лента имеет минимальную теплопроводность, благодаря чему ею обматывают оголенные участки провода, чтобы не допустить возгорания. Компьютерная паста, наоборот, играет роль проводника тепла, благодаря однородности массы и высокой теплопроводности, и способна передать выделяемое тепло от процессора системе охлаждения.

Любой магазин, который занимается продажей компьютерных комплектующих. Тара имеет вид тюбика или чаще шприца 2 - 5 мл. В продаже не очень много разновидностей термопасты или термоклея. Причём отечественные марки ничуть не хуже иностранных представителей. На рынке лично я покупаю КТП-8 (см. рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - КПТ-8

Порядок применения. Самый первый совет - не нужно выдавливать половину содержимого тюбика на охлаждаемую поверхность. Принцип «чем больше, тем лучше» здесь не работает. Большое количество термопасты при прижимании радиатором растечётся далеко за края процессора, создав дополнительные проблемы с отводом тепла от ЦП. Если термопаста наносится на другую поверхность, толстый её слой не будет выполнять функций теплоотвода. В начале статьи я подчеркнул её основное назначение - исключить воздушный слой, заполняя собой капли воздуха.

Как правильно наносить термопасту?

Протрите процессор сухой тряпочкой. Остатки старой термопасты с процессора снимаются ногтем или тонкой деревянной\пластмассовой скребочкой или чем-нибудь наподобие того (банковская карта подойдёт). С радиатора это можно сделать и растворителем, после чего тщательно протереть или просушить (см. рисунок 3.9). Вода обычно в этих случаях не помогает: термопаста не боится воды, а высохшая термопаста вообще напоминает холодную сварку, знакомую автолюбителям и слесарям.

Рисунок 3.9 - Процессор и радиатор

Попробуйте закрепить радиатор с кулером без термопасты. Потренируйтесь, чтобы с пастой можно было закрепить радиатор раз и навсегда.

На процессор нанесите немного термопасты размером с небольшую горошину. Расположите её примерно по центру. Для наглядности процессор уже в сокете (см. рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 - Процессор

Вращая кистью радиатор вправо-влево чуть заметными движениями (как бы втирая), прижмите его к процессору и закрепите защёлками. Термопаста не должна вытечь, а радиатор должен плотно прижаться к процессору. А защёлки потом закрепят радиатор и доведут дело до конца.

3.4 Проектирование зарядного устройства

Для создания зарядного устройства работающего за счет термоэлектрического преобразования нужен термоэлектрический модуль (перед тем как начать сбор самого устройства, нужно проверить работает ТЭМ или нет, это можно сделать с помощью вольтметра - замерив выходное напряжение с выхода модуля), радиатор для «холодной» стороны для более эффективного охлаждения (при необходимости придется сделать охлаждение «холодной» стороны активным, т.е. необходимо будет установить вентилятор малой мощности) и повышающий преобразователь.

Для обеспечения более равномерного теплоотвода и нагреваниея керамических пластин термоэлектрогенератора нужно воспользоваться термопастой.

После того как были установлены радиаторы, нужно припаять повышающий преобразователь, и находим, куда его спрятать. Можно вообще оставить его висеть на проводах, но обязательно нужно заизолировать, например, одеть на него термоусадку.

Выводы

Данное зарядное устройство для сотового телефона, работающее от свечи выручит в походных условиях или при длительных перебоях с электричеством. К тому же, полученное устройство совместно может выполнять роль осветительного прибора, испускающее слабое свечение.

4. Экономическое обоснование проекта

4.1 Актуальность разработки устройства

Разработанное устройство относится к зарядным устройствам, предназначенным для подзарядки телефонов и mp-3 плееров. При подаче тепловой энергии через термоэлектрический преобразователь в самодельном электрическом генераторе, выделяется ток, которого хватит для зарядки мобильных устройств в полевых условиях.

Разрабатываемое зарядное устройство должно соответствовать следующим параметрам:

- иметь фиксированное выходное значение величины напряжения;

- должно быть безопасным в эксплуатации;

- должно быть понятным для эксплуатации;

4.2 Расчет себестоимости зарядного устройства с термоэлектрогенератора

Себестоимость детали, представляет собой сумму затрат в денежном выражении на производство и реализацию, приходящихся на единицу продукции.

...