Саморобний термогенератор №2
Другий варіант саморобного термогененатора на елементах Пельтьє від Андрія Ходкіна.
Я обіцяв різним людям на turizm.lib.ru написати кілька нотаток на різні теми. Потроху починаю віддавати борги. Спочатку продовження історії про джерела електроенергії у походах.
Отже, знову про електрику у походах.
Перше моє джерело на базі елемента Пельтьє докладно описано на моїй сторінці, присвяченій йому.
Я його модернізував. По-перше, змінив перетворювач – тепер він видає 6.5В на холостому ходу, має вбудовані акумулятори для запасання енергії. По-друге – крім гуртка у мене тепер є ще 3 джерела електроенергії – 2 на елементах Пельтьє та сонячна батарея.
Спочатку про перетворювач.
Перетворювач – це електронний блок, що включає між елементом Пельтьє (або іншим джерелом) та електричним навантаженням. Сенс перетворювача відповідно до напруг. Перетворювач двокаскадний, зібраний на 2 мікросхемах MAX 756 http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX756-MAX757.pdf . Перший каскад включений відповідно до документації у режимі виходу 3.3В. У навантаження каскаду через вимикач, діод і струмообмежуючий резистор підключена пара послідовно з'єднаних акумуляторів Ni-Mh. Ni-Mh вибрано через його невимогливість до дотримання режимів заряду/розряду. Другий каскад перетворювача підключений до першого виходу і включений в режимі виходу +5В. Схема обох каскадів – відповідно до документації на мікросхему. Але тут є особливість - якщо ви хочете заряджати щось на зразок Siemens Me-45/Siemens-X65 (з літієвим акумулятором), вам потрібно близько 6.5В на виході перетворювача на холостому ходу. Для цього ланцюг зворотного зв'язку другого каскаду перетворювача(між ногою 6 та виходом каскаду) вводиться ланцюжок з 3 послідовних кремнієвих діодів (усі включені анодом до виходу перетворювача). Є спосіб краще використовувати MAX757 (у неї є окремий вихід зворотного зв'язку). Ось, власне, і вся схема. Ідеологічно вона мене влаштовує. Перетворювач у цій версії тягається зі мною через різні незручності вже майже рік – проблем не помічено. Дуже докладне How-to з використання MAX756 як перетворювач можна знайти на http://www.instructables.com/id/EGBQJPLCB2EP287KTZ. У моєму перетворювачі зібрано майже 2 таких каскаду.
Перетворювач із відкритим акумуляторним відсіком та витягнутими акумуляторами.
Вихідний роз'єм перетворювача та цоколівка відповідають роз'єму USB Type A, що дозволяє підключати будь-які USB-пристрої та кабелі. Увага! Якщо ви збираєтеся підключати USB пристрою краще повернути вихідну напругу на +5В (прибрати діоди зі зворотного зв'язку другого каскаду), хоча, швидше за все, нічого страшного і не станеться. Сподіваюся, читач розуміє, що перетворювач видає в роз'єм USB тільки живлення, це в більшості випадків дозволяє заряджати всілякі гаджети USB (GPS, КПК). Але! Керувати USB пристроями перетворювач не вміє J. Також, швидше за все, не можна підключати перетворювач до порту типу USB-Host (деякі КПК випуску після 2005 р.).
Первинні джерела електрики
В даний час мій парк джерел електрики, здатних живити перетворювач, представлений:
1) Кухоль з вбудованим у дно елементом Пельтьє (наливається водою і ставиться на пальник);
2) Багряним тепловим елементом;
3) Автономним термоелектрогенератором Пельтьє.
4) Модулем сонячної батареї (2В, 400 мА).
Усі джерелаоснащені уніфікованим роз'ємом, що дозволяє підключати їх до перетворювача.
Кухоль докладно розглянута в описі першої версії термогенератора.
Костровий тепловий елемент представлений модулем Пельтьє, обладнаним системою радіаторів та металевим кілочком. Кільця з елементом встромляється в землю біля багаття. Радіатори мають спеціальну форму – площа радіатора з боку багаття («гаряча» сторона) більша, ребра горизонтальне. З «холодної» сторони радіатор менший і має вертикальне ребра. Ці конструктивні хитрощі мають забезпечувати максимальний градієнт температури на сторонах елемента. Велика площа гарячого радіатора екранує холодну сторону від багаття, а горизонтальне ребра знижує конвективне перенесення тепла з радіатора в повітря. Частина вертикального ребра по краях гарячої сторони радіатора залишена, для зниження крайових ефектів і запобігання перегріву елемента. Радіатор «холодної» сторони, навпаки, має тільки вертикальне ребра, що сприяє конвективному перенесенню тепла від елемента в навколишнє повітря. Відповідно до прийнятих у радіотехніці практичних формул, кількісна різниця конвективного теплоперенесення з вертикальних поверхонь з горизонтальним і вертикальним оребренням досягає 50%.
Вогнищний елемент "холодною" стороною до нас.
"Гарячою" стороною до нас. Відсутнє знімне горизонтальне ребра зверху і знизу радіатора.
Вогнищний модуль у робочому просторовому положенні. Багаття мало б бути в лівій частині фотографії.
«Вогнищний» елемент чудово працює в широкому діапазоні потужностей багаття, жодних проблем з його експлуатацією за півроку не виникло. Елемент Пельтьє та підводні дроти (попри мої побоювання за їхтермостійкість) як і раніше, як нові. Мабуть я вгадав із розмірами та схемою розташування радіаторів.
Автономний термоелектрогенератор Пельтьє. Самодостатній прилад, в алюмінієвому корпусі, з вбудованим газовим пальником, п'єзопідпалом, системою лабіринтних теплообмінників та повітроводів. Витрата газу – близько 10 г/година. Вага генератора із газовою арматурою, кабелем (без газового балона) – 650 гр. Принцип використання - "вистрілив і забув" - тобто. виніс генератор на свіже повітря, відкрив газовий вентиль, клацнув підпалом - і електрика потекла по дротах до жадібних його споживачів.
Я провозився з цим монстром півтора місяці. Кілька разів він у мене вибухав, викидаючи клуби полум'я. Шалено примхлива штука китайський п'єзопідпал, виламаний з кухонної запальнички. І, насамкінець, там виявилася маса складнощів, пов'язаних із забезпеченням режиму стійкого керованого горіння газу всередині корпусу. Складності ці я поступово усунув за допомогою зміни форми внутрішніх повітроводів та отворів повітря на корпусі. Генератор прийнятно працює, але брати його з собою в серйозні походи я поки не хочу - він вийшов досить важким і примхливим. В принципі можна суттєво спростити та покращити генератор, але поки що я його відклав.
Елементи автономного генератора в процесі збирання:
Взяли алюмінієвий корпус, на дно посадили пару елементів Пельтьє (на термопасту)
Зверху посадили на таку саму термопасту голчасті радіатори.
Зробили кришку теплообмінної камери з впускним та випускним патрубками.
Встановили кришку на штатне місце, теплообмінну камеру зібрано.
Змонтували пальник, вивели дроти. Залишилось закрити кришку.
* на фотографії не показаний конусний полум'яловловлювач (бляшаний конус,одягається вузьким горлом на вступний патрубок теплообмінної камери (латунний), широкою стороною до форсунки пальника). Елементи Пельтьє послідовно підключаються.
Автономний термогенератор Пельтьє у штатній конфігурації. Залишилося тільки клацнути підпалом.
Перетворювач вийшов на штатний режим, що заряджає вбудовані акумулятори.
Сонячний елемент - покупний (www.chip-dip.ru), 2В, 400 ма. Єдине моє доопрацювання - встановлення вихідного роз'єму і наклеювання на зворотний бік елемента «липучки». Комплементарну частину липучки я приколов англійськими шпильками на дах рюкзака, щоб елемент можна було легко монтувати та знімати.
Перетворювач, термогенератор-кухоль та сонячний елемент. Взаємні розміри.
Але хочеться більшого. Мене останнім часом найбільше цікавлять джерела енергії, що застосовуються у високоширотних походах (як правило, лижних) у зимових умовах. При цьому хочеться мати в поході енергоозброєність, що дозволяє використовувати сучасні прилади типу КПК/GPS/радіозв'язку кожному учаснику походу без огляду на акумулятори. Влаштовувати ритуальне послідовне заряджання акумуляторів увечері на багатті/пальнику для всіх приладів навряд чи реально. Як малопотужне/аварійне джерело електроенергії термогенератори підходять, а от як колективна електростанція не дуже. Крім того, хочеться мати "безумовне" джерело електроживлення - не вимагає попереднього розведення вогню і т.п.
1) зберігання непідключених елементів навіть за значних негативних температурах мало викликає деградації їх ємності.
2) Напруга відсічення в 0.8В, зазвичай розглядається як напруга розрядженої батареї, зовсім не означає повний розряд - з батареї можна брати електрику і далі. Тим більше, щонас не цікавлять незворотні процеси в батарейці – ми не перезаряджатимемо її, а просто викинемо (утилізуємо!) по вичерпанні.
3) Максимальний час роботи батареї досягається в режимі споживання постійної потужності (а не в режимах постійного опору або постійного струму навантаження).
І в мене з'явилася ідея – зробити «ампульне» джерело енергії, що працює від однієї батареї АА (ААА), і «висукаючи» її «досуха». Зрозуміло, що 1.2-1.4В вихідної напруги одного елемента не вистачає для живлення будь-якої техніки, необхідний перетворювач напруги. Він забезпечить нам режим «постійної потужності споживання». Я купив дуже хороших мікросхем перетворювачів NCP1400А в тераелектроніці (www.terraelectronica.ru), розвів та замовив у www.tabe.ru друковану плату і зібрав перетворювач.
PCB друкованої плати не наводжу, бо немає вихідного діода. Але і схема та плата примітивні, якщо кому треба – пишіть, вишлю. Якщо є руки – зробити не проблема. Ну а якщо рук немає - навіть докладна інструкція не допоможе J.
Перші модулі ампульних джерел :). (поки що без вихідного діода). Розмір плати відповідає батареї типорозміру ААА.
Ідеологія використання «ампульного» джерела:
Одиницею витрати є 1 елемент АА (ААА). Перед походом елементи по одному пакуються (запаюються) в целофан. Можна додати смажений силікагель J або рисові зерна (як вологопоглинаючий засіб). При необхідності електроенергії витягується з упаковки 1 елемент і споряджається в перетворювач. Одного елемента DURACELL AA вистачає приблизно на 6 годин при вихідних параметрах перетворювача 5В, 0.1А (ККД перетворювача та обв'язування приймаємо 70%). Це значення розрахункові, експериментальні будуть пізніше. У чомуособливості запропонованого способу організації електроживлення?
1) Оскільки використовується один елемент, його ємність може бути використана максимальним чином порівняно зі схемами, що містять кілька елементів, підключених послідовно (ємність яких можна використовувати з точністю до найгіршого з елементів).
2) Малі габарити джерела дозволяють «прописати» його у внутрішній кишені одягу, що дозволяє забезпечити комфортну для електрохімічних елементів температуру (що також збільшує ефективну ємність).
3) Джерело всеїдний. Будь-які батарейки, що підходять за розміром, можуть бути використані без втрати джерелом споживчих властивостей (включаючи вугільні).
4) Параметри мікросхем перетворювачів, що використовуються, дозволяють «вичавлювати насухо» будь-які елементи живлення.
1) Потужність джерела обмежена 0.5 Вт. Паралельне включення джерел, якщо можливо, вимагає додаткових досліджень.
Я збираюся використовувати "ампульне" джерело для одного свого задуму - комплексу навігаційної безпеки для високоширотних походів. Сенс задуму – забезпечити ВСІХ учасників походу інформацією про їхнє взаємне становище та про їхнє становище на глобусі. Комплекс складається з GPS-приймача з контролером («комп'ютером») і приймачем (загалом, готово, але вже зовсім у технічні подробиці я тут не полезу). GPS-приймач розміщений або в рюкзаку, або на санках у когось із учасників. Кожен із учасників походу має при собі (у кишені) невеликий прилад (розміром із сірникову коробку) з приймачем і підключеною до нього гарнітурою. Прилад забезпечує радіозв'язок між учасниками, а також умовними сигналами видає сигнали корекції курсу та сигнали тривоги при пропаданні сигналу від будь-кого з учасників.Водночас система працює і як лавинний пінгер. Описані функції комплексу – це те, чого особисто мені не вистачає у високоширотних походах (походах у безлісовій зоні) в умовах поганої видимості:
- впевненості, що ніхто не відстав без необхідності постійно озиратися;
- можливості постійної корекції курсу руху без зупинки, вилучення з кишені та включення GPS тощо. У цьому курс точку призначення природно коригується у процесі руху (на відміну магнітного курсу).
Якщо чогось незрозуміло, або навпаки :) - зв'язатися зі мною найпростіше за ел. поштою, вказаною на сторінці Контакти.