В последнее время развелось огромное количество различных электронных устройств, которые я не прочь взять с собой в велопоход. Это и GPS-навигатор, и сотовый телефон (а лучше смартфон или КПК), и фотоаппарат, и велофара - она же стояночный фонарь. У кого-то этот список короче, а у кого-то ещё длиннее. В любом случае каждое их этих устройств при работе поглощает электрическую энергию, которую надо либо возить с собой в виде химических источников тока (в простонародье батарейках и аккумуляторах), либо вырабатывать в пути. Изучая данный вопрос, я наткнулся на довольно оригинальный способ получить электричество из тепла не применяя сложных механических устройств. С помощью эффекта Пельтье.
Не буду подробно описывать тонкости этого эффекта, кто захочет - сам найдет. Вот несколько ссылок:
Единственное, о чём хочу предупредить - не в коем случае не покупать элементы Пельтье у наших продавцов. Эти барыги просят за них такие деньги, за которые китайцы вас просто завалят ими. Чип и Дип продаёт "китайские" ТЕС1-12706 по 1100 рублей за штуку, я же их купил на eBay в 6 раз дешевле, да ещё и с бесплатной доставкой. Более мощные ТЕС1-12709 я брал там же, но у другого продавца по какой-то распродаже мене чем за $10. Такие же "криотермовские" стОят космические 2500 руб. Даже если китайцы завысили цифры параметров, то всё равно выгоднее брать у них.
Итак, мы имеем два представителя термоэректрических модуля: ТЕС1-12706 и ТЕС1-12709 номинальной мощностью 72 и 108 Вт соответственно. Я не сторонник сразу же городить какое-либо устройство, для начала я хотел исследовать термогенераторные свойства этих элементов, сравнить их и на основании этих данных либо отказаться от изготовления генератора, либо продумать его оптимальную конструкцию. То, что с помощью модуля можно получить электричество видно из статей, ссылки на которые приведены выше. И если соединить несколько элементов, то электричества можно получить довольно много. Из других источников было ясно, что КПД этого процесса выработки электричества крайне низкий даже для специальных генераторных модулей. Обычные термоэлектрические модули для бытовых охлаждающих устройств не предназначены для работы при повышенных температурах. Китайцы, у которых я покупал, вообще не указывают максимальную температуру горячей стороны, только разницу 67 °С. Другие продавцы, торгующие подобными модулями, указывают кто 150 °С, кто 180 °С. Криотерм выпускает два вида аналогичных модулей, с максимальной температурой 120 и 150 °С. Эта температура зависит от марки припоя, применяемого для спайки полупроводниковых p- и n-элементов. При использовании ПОСа с температурой плавления около 180 °С максимальная рабочая температура составляет 150 °С. У модулей НОРДа максимальная температура зависит не от припоя, которым спаяны полупроводники, а от клеевого состава.
Авторы статей и видеоэкспериментов с элементами Пельтье в качестве электрогенераторов, на мой взгляд, сильно недооценивают данный параметр. А он крайне важен, так как перегрузка по этому параметру ведёт к неминуемому разрушению изделия. И одно дело, когда это происходит в домашней лаборатории при эксперименте и совсем другое дело, когда вы далеко от дома и от источников электроэнергии, а запас этой самой энергии в аккумуляторах вот-вот истечёт. Так как мои модули дёшевы, можно с большой долей вероятности предположить, что при их производстве были использованы дешёвые компоненты и материалы. Самый дешёвый из припоев - ПОС с температурой плавления 180 °С, поэтому зафиксируем максимальную температуру горячей стороны на уровне 150...160 °С, кратковременно до 170 °С. Для испытаний был создан стенд, состоящий из нагревающей алюминиевой пластины с двумя нагревателями и охлаждающего компьютерного кулера. Между ними элемент Пельтье, подключенный к активной нагрузке. Активная нагрузка - это не просто резистор, ток через который меняется от приложенного напряжения, это устройство потребляющее стабильный заданный ток независимо от приложенного напряжения. С помощью вольтметра и амперметра можно измерить параметры электрического тока, вырабатываемого элементом Пельтье, в том числе и выдаваемую мощность. Температуру измерял с помощью термопар, подключённых к мультиметрам. Для этого в основании радиатора и в нагревающей пластине были просверлены по одному продольному отверстию, диаметром 2 мм и глубиной около 10...15 мм. Отверстия заполнялись термопастой КПТ-8, а за тем в них помещались термопары.
Источниками тепла служили два нагревательных элемента ЭО-04, оставшиеся от разборки какого-то военного устройства выпуска 50-60 годов прошлого века. На них хоть и написано 25 Вт, я же подавал более 50 Вт на каждый, ничего страшного не произошло, выдержали перегрузку. Блок питания, питавший эти нагреватели, снабжён амперметром и вольтметром, поэтому посчитать подводимую к нагревателям мощность не составило труда.
Полностью собранный стенд выглядит так. Снизу нагреватели прикрыты несколькими слоями стеклоткани и стеклотекстолита. Дальше подаём напряжение на нагреватели, включаем активную нагрузку, вольтметр, амперметр и термометры и начинаем эксперимент. Регулируя напряжение блока питания, выставляем определённую мощность нагрева горячей стороны элемента Пельтье. На активной нагрузке тоже есть ручка регулировки потребляемого тока. Весь эксперимент удобнее всего было записать на видеокамеру, а затем перенести данные с видео в таблицу.
ТЕС1-12706
Мощность нагрева, Вт
Ток элемента Пельтье, А
Напряжение на элементе Пельтье, В
Мощность элемента Пельтье, Вт
КПД, %
∆T, °С
Эффективность, мВт/°С
Удельная эффективность, Вт/(°С*кг)
45,2
0,134
1,94
0,26
0,567
60
4,333
0,173
0,253
1,57
0,397
0,879
62
6,403
0,256
0,501
0,67
0,336
0,744
63
5,333
0,213
0,603
0,26
0,157
0,348
62
2,532
0,101
63,8
0,135
2,61
0,352
0,551
78
4,513
0,181
0,253
2,41
0,61
0,956
83
7,349
0,294
0,503
1,55
0,78
1,222
85
9,176
0,367
0,798
0,35
0,279
0,437
85
3,282
0,131
99,9
0,134
3,88
0,52
0,521
108
4,815
0,193
0,254
3,48
0,884
0,885
121
7,306
0,292
0,499
2,45
1,223
1,224
126
9,706
0,388
0,907
0,4
0,363
0,363
126
2,881
0,115
ТЕС1-12709
Мощность нагрева,
Вт
Ток элемента
Пельтье, А
Напряжение на элементе Пельтье,
В
Мощность элемента
Пельтье, Вт
КПД,
%
∆T,
°С
Эффективность, мВт/°С
Удельная
эффективность, Вт/(°С*кг)
61,9
0,135
2,05
0,277
0,448
58
4,776
0,217
0,25
1,76
0,44
0,711
56
7,857
0,357
0,5
1,1
0,55
0,889
50
11
0,5
0,904
0,47
0,425
0,687
53
8,019
0,364
80,9
0,136
2,7
0,367
0,454
76
4,829
0,219
0,254
2,39
0,607
0,751
73
8,315
0,378
0,495
1,78
0,881
1,09
70
12,586
0,572
1,076
0,55
0,592
0,732
66
8,97
0,408
99,0
0,134
3,26
0,437
0,441
92
4,75
0,216
0,259
2,94
0,761
0,769
89
8,551
0,389
0,516
2,2
1,135
1,147
83
13,675
0,622
1,243
0,73
0,907
0,916
82
11,061
0,503
Как видно, КПД данного процесса преобразования тепла в электричество весьма мал. Конечно мои данные немного занижены, так как не всё тепло, вырабатываемое нагревателями, проходило сквозь элемент Пельтье. Некоторая его часть рассеивалась в окружающую среду, но для приблизительной прикидки мои данные подходят. Но интересны не просто цифры КПД и, следовательно, вырабатываемой мощности, а их зависимость от тока в цепи. Если построить графики зависимости мощности элементов Пельтье от тока, то мы видим явный максимум около 0,5 А для ТЕС1-12706 и около 0,8 А для ТЕС1-12709. Причём, с ростом разности температур на сторонах элемента максимум смещается в сторону больших токов.
Самый интересный и показательный параметр данных таблиц - это эффективность. Эффективностью в этих экспериментах я назвал мощность вырабатываемого электрического тока данным элементом при разности температур на его горячей и холодной сторонах в 1 ºС. На этих графиках видно, что зависимость эффективности от тока тоже имеет ярко выраженный максимум.
Исходя из приведённых выше графиков становиться очевидным тот факт, что при сооружении электрогенератора на основе модулей Пельтье необходимо контролировать ток в цепи отбора электрической мощности. Я просмотрел пару десятков видеоэкспериментов и ни в одном этот по сути основной параметр не учитывался. Не знаю учитывают ли его производители термоэлектрических модулей или нет. Лично для меня это было откровением, я предполагал линейную или близкую к ней зависимость. И если предполагается использование термогенератора в походных условиях, то в этом случае необходимо снабдить его контроллером, который будет регулировать выходной ток элемента в зависимости от разности температур и потребляемой подключенными устройствами мощности. Приведу ещё пару информативных графиков. Первый - зависимость мощности модуля ТЕС1-12709 от разности температур его горячей и холодной сторон. Если сравнивать прямые для токов 135 мА и 500 мА, то очень примечателен тот факт, что при увеличении разности температур на 20 °С для 135 мА приводит к увеличению мощности на 0,1 Вт, что составляет 33% от первоначальной мощности. Такое же увеличение разности температур для 500 мА увеличивает мощность модуля на 0,33 Вт, что составляет 60% от первоначальной цифры. Это говорит о том, что ток потребления от элемента Пельтье - очень важный параметр эксплуатации его в качестве электрогенератора. Второй график - вольт-амперная характеристика того же модуля. Здесь наглядно можно сравнить максимальные мощности при разном перепаде температур. Площадь треугольника, образованного соответствующей прямой и осями координат и есть максимальная мощность элемента Пельтье при данной разности температур.
Ну чтож, все графики начерчены, все таблицы заполнены, теперь можно и помечтать. В целом если прикидывать энергопотребление в походе по максимуму, то получается следующее: • GPS-навигатор - 0,3 Вт х 10 ч = 3 Вт*ч в день; • фотоаппарат (зеркалка Canon) - аккумулятор 8 Вт*ч на 4 дня = 2 Вт*ч в день; • видеокамера (видеорегистратор для запечатления интересных моментов поездки, около 1 часа видео в день) - 1,6 Вт*ч в день; • сотовый телефон - около 0,2 Вт*ч в день; • светодиодный фонарик для подсвечивания стоянки вечером - 2 Вт*ч в день. Итого получаем: 3 + 2 + 1,6 + 0,2 + 2 = 8,8 Вт*ч в сутки. С учётом потерь при зарядке аккумуляторов этих устройств и непредвиденные траты можно с лёгкостью округлить эту цифру до 10 Вт*ч в сутки, что приблизительно равно трём NiMH аккумуляторам формфактора АА (по 3,2 Вт*ч). Будем считать, что именно это количество электроэнергии позволяет комфортно путешествовать по ранее запланированному маршруту не ограничивая свои творческие позывы. Этот расчёт более-менее верен для одиночной вылазки или группы из двух человек. Если народу больше, то тут на каждого добавляется дополнительный потребитель, будь то сотовый или ещё один фотоаппарат. Я думаю что на каждого "лишнего" участника можно смело прибавлять по 1 Вт*ч, то есть для группы из 6-ти человек комфортный уровень энергопотребления составит 14 Вт*ч или около 4,5 аккумулятора АА. Предположим что поход длиться 10 дней, то для группы из 2-х человек понадобится 100 Вт*ч энергии, это 31 NiMH аккумулятор общей массой 31 х 31,5 = 976,5 г. То есть почти 1 кг аккумуляторов. Если брать щелочные батарейки, то самые лучшие отдают 2,2 Вт*ч и их потребуется 45 штук. Массу их не знаю, но даже если они по 25 г, то в сумме уже больше килограмма набирается. Для группы из 6-ти человек общее количество электроэнергии составляет 140 Вт*ч, это почти 44 аккумулятора массой 1386 г или 64 батарейки ещё большей массой. Если брать с собой LiPo аккумуляторы, какие используют моделисты, то для двух человек это будет аккумулятор массой 100 Вт*ч ÷ 160 Вт*ч/кг = 0,625 кг или 625 г. Для группы из 6-ти человек масса LiPo аккумулятора составит 875 г. Теперь прикинем как обстоят дела с термогенератором. Допустим у нас модуль (или модули) ТЕС1-12709, греем его не выше 150 °С, охлаждаем в ручье с температурой 15 °С, то есть на холодной стороне будет 20 °С, перепад температур 150 - 20 = 130 °С. Для такого значения разности температур у меня нет показателя эффективности, придётся считать. Берём два максимальных значения на графике зависимости эффективности от тока для ТЕС1-12709, например 13,6 мВт/°С для усреднённой разности температур 71 °С и 15,7 мВт/°С для 87 °С и рассчитываем на какую величину увеличилась эффективность при повышении разности температур на 87 - 71 = 16 °С. Получается на 2,1 мВт/°С. А дальше по пропорции: если увеличение разности в 16 °С привело к увеличению эффективности на 2,1 мВт/°С, то увеличение разности на 130 - 87 = 43 °С приведёт к увеличению эффективности на (43 х 2,1) ÷ 16 = 5,6 мВт/°С. Значит эффективность при разности температур в 130 °С будет равна 15,7 + 5,6 = 21,3 мВт/°С. В итоге получаем 21,3 х 130 = 2769 мВт или 2,8 Вт. Это довольно близкое к реальности значение если судить по тому, что в некоторых видеоэкспериментах два модуля выдавали 4...6 Вт. Чтобы с помощью одного модуля получить 10 Вт*ч энергии, надо чтобы генератор работал 10 ÷ 2,8 = 3,57 ч, а для 14 Вт*ч - 5 часов. То есть если использовать термогенератор состоящий из 2-х элементов Пельтье, то выработка электроэнергии даже для большой группы не занимает очень много времени. Единственная серьёзная проблема, возникающая при производстве электричества в походе этим методом - это рассеяние тепла на холодной стороне. Самый лучший и оптимальный - водяное охлаждение, так как вода имеет большую теплоёмкость. В этом плане водным туристам повезло больше, чем велосипедистам: у них способ передвижения связан именно с водой и если продумать конструкцию генератора (очень странно, почему она до сих пор не продумана и не реализована в промышленных объёмах), то выработка электроэнергии у них может происходить во время движения. Генератор частично погружён в воду, частично плавает на поверхности. В печь по мере расходования подгружается топливо, снаружи это всё охлаждается водой. Топливо собирается и готовиться на привале. Если заморачиваться с собиранием дров и сосновых шишек не
хочется, то можно подумать над конструкцией газовой печи. Тут стоит немного посчитать. Итак, имеем: баллон сжиженного газа для газовых горелок с топливом массой 450 г.; состав: изобутан - 72%, пропан - 22%, бутан - 6%, в пересчёте на массу это 324 г, 99 г и 27 г соответственно; теплоты сгорания для этих газов равны соответственно 49,22 МДж/кг, 48,34 Мдж/кг и 49,34 МДж/кг. После умножения и сложения имеем 22,07 МДж в одном баллоне сжиженного газа. Принимаем КПД нашего генератора равное 1%, следовательно получаем в качестве электроэнергии 220 кДж, что составляет 61,3 Вт*ч. С чем можно сравнить? Ну например с 19-тью NiMH аккумуляторами АА. Не густо и довольно накладно, газ не дешёв. Раз использовать газ дорого, то можно придумать что-то с использованием жидкого топлива, например бензина. Я немного порылся в интернете на предмет дешёвого катализатора для каталитических горелок, но кроме оксида хрома (VI), полученного из бихромата аммония ничего не нашёл. Да и с ним не всё так гладко, но при желании, путём некоторого количества экспериментов можно и тут добиться стабильных положительных результатов. В каталитических грелках китайского производства скорее всего используются элементы платиновой группы в микроколичествах. Вот бы катализатор как в этой грелке, но большего размера для элементов Пельтье. Получился бы компактный и лёгкий генератор. Теплота сгорания бензина 44,5 МДж/кг, плотность 0,74 кг/л, с одного литра бензина имеем 33 МДж энергии, при 1%-ном КПД это 330 кДж или 91,6 Вт*ч электроэнергии (28 аккумуляторов АА). Более бюджетный вариант, но всё таки собирать и заготавливать имеющееся в природе бесплатное топливо естественно выгоднее, и у него нет одной очень неприятной особенности, присущей тем запасам, которые покупаются в магазине - оно не заканчивается в самый неподходящий момент.
Можно и дальше разглагольствовать и мечтать, но всё таки подведём итог. Использовать элемент Пельтье (или термоэлектрический модуль) для выработки электроэнергии в походных условиях можно и, при использовании подножного топлива природного происхождения, достаточно выгодно. Использовать такие генераторы удобнее в водных походах так как есть возможность вырабатывать электричество во время движения по маршруту. В велопоходах это возможно только на стоянке. Ну и конечно такие генераторы имеют смысл только в дальних походах по малонаселённой местности.
P.S. Присмотрел у одного китайского продавца модуль на 230 Вт (ТЕС1-12726). Хочу попробовать как он будет вырабатывать электричество, так что продолжение следует...
Добрый день. Нашел модули с рабочей температурой до 300С, но, естественно дороже, это не охладители а генераторы. У всех модулей в спецификации парабола зависимости тока/мощности, о чем вы и писали экспериментальным путем. В общем у меня предложение разработать тот самый контроллер нагрузки, пусть без регулировки по температуре, установить в значении максимальной разности для зарядки походных промежуточных батарей. Я сам не осилю, никогда серьезно не занимался разработкой электронных устройств. Можем списаться по почте, по результатам добавить уже эксперименальную статью.
Я - пас. У меня дел выше крыши и куча не законченых проектов и статей. Мне бы своё разгрести, а голова всё генерит и генерит новые идеи. К тому же тема термогенератора для меня стала неактуальна после анализа работы доработанной динамовтулки. Если для себя что-то разрабатывать и не сложное, то можно обойтись обычным DC-DC преобразователем. Повышающим или понижающим это зависит от количества ТЭМов и вида аккумулятора. Допустим у нас 4 штуки 12709. Не будем гоняться за абсолютным максимумом, а выберем какой-то коридор. Пусть он будет от 0,6 А до 1 А. Это не маленький разброс, а параметры эффективности для него весьма высоки. Дальше смотрим на ВАХ нашего модуля и видим что при таком токе напряжение на нём будет составлять 1,2...2,2 В. Следовательно 4 последовательно соединённых модуля выдадут 4,8...8,8 В. Если будем использовать накопитель из 1 банки лития, то нужен понижающий DC-DC. Ограничиваем напряжение на выходе DC-DC на уровне 4,1...4,15 В и ток ограничения около 1...1,2 А. И всё. Маленькую банку лития брать не резон, а большая проглотит и 2 и 5 А, главное ограничить напряжение на ней, а то вздуется. Тут математика такая: главное чтобы входная мощность DC-DC, та что снимается с термоэлектрических модулей, была равна выходной мощности, та что идёт на зарядку, поделённой на КПД этого DC-DC. Как-то так.
Ну чтож, буду искать решения сам) Рад что Вы нашли приемлимый метод, я же в основном пеший хожу, редко на велотурах. МОжно немножко поспрашивать Вас по теории? Идею DC-DC я и имел в виду, пока не нашел в промышленном исполнении step-up от 2-3 вольт, так как собираюсь брать наиболее приемлимый вариант ТЭГа, у которого мальенкое напряжение, но большой ток. Вопрос мой скорее как ограничить ток нагрузки на входе преобразователя, ведь они работают в широком диапазоне напряжений, соотыетственно если, например на 12709 он будет задирать с ТЭГа 3,24В, мощность будет не оптимальной. Можно поподробнее описать этот процесс? В качестве буфера буду использовать Lipo 1 банку(3,7В) на 6АЧ, соит она не особо дорого с привозом с зарубежья. DC-DC step up на зарядку USB устройств с нее есть.
В качестве DC-DC лучше использовать специализированную микросхему для зарядки лития. Не знаю есть ли они для работы в качестве повышалки, это надо посмотреть. Но и подойдёт обычный повышающий DC-DC, желательно с максимально стабильным выходным напряжением. У микросхем DC-DC преобразователей как правило есть функция ограничения выходного тока, она либо встроенная (фиксированное значение), либо с помощью внешнего низкоомного резистора. Вот нужно искать такую микросхему. За тем начинаем считать. Я попробую описать процесс на модуле 12709. Допустим мы предполагаем его эксплуатировать при разности температур 90 град. (можно и больше, но у меня нет данных на другую разницу). Дальше по графику эффективности прикидываем по допустимой эффективности силу тока. Пусть нижним пределом будет 14 мВт/К, это всего лишь на 12.5% меньше максимума. Интервал токов при этом будет от 0,55 А до 1,05 А. По ВАХ находим напряжения для этих токов при разности 90 град., они составят от 1,3 В до 1,1 В. Таким образом надо искать микросхему DC-DC устойчиво работающую при напряжении 1 В, или докупать ТЭМы и соединять их последовательно чтобы увеличить напряжение. Как рассчитать выход? Допустим у нас есть микросхема работающая от 1 В. Берём среднее между 14 и 16 мВт/К - 15 мВт/К это и будет отправной точкой для расчёта. 15*90=1350 мВт=1,35 Вт Именно столько можно взять энергии с ТЭМа. Пусть КПД DC-DC равно 80%, тогда на выходе мы имеем 1,35*0,8=1,08 Вт. Среднее напряжение на аакумуляторе равно 3,7 В именно такое напряжение будет большую часть времени и на него надо ориентироваться. Рассчитываем ограничение выходного тока 1,08/3,7=0,29 А, думаю можно округлить до 0,3 А. Вот собственно и всё. Если аккумулятор сильно разряжен (ну допустим до 3 В), а на выходе DC-DC высокое напряжение, то литий начнёт жадно поглощать ток что вызовет срабатывание токовой защиты и микросхема зафиксирует ток на уровне 0,3 А. Потребляемая мощность ограничится на уровне 3*0,3=0,9 Вт, на входе DC-DC с учётом КПД будет поглощаться 0,9/0,8=1,125 Вт. При этом значении с ТЭМа будет поглощаться что-то среднее между 0,6А 1,3 В ... 1,0 А 1,1 В что входит в наши допуски, рассчитанные раньше. Вот как-то так.
Добрый день! Пытаюсь осмыслить это в практическом применении.... Подобрал следующий преобразователь: http://lib.chipdip.ru/300/DOC000300932.pdf смущает пока только ограничение выходного тока в 300мАч на 1,8 вольт на входе. Остается вопрос про токовую защиту, это она и есть? Как вы думаете, следует подобрать схему с бОльшим выходным током для 12709 к примеру при условии зарядки й банки Lipo? Еще вопрос про выходное напряжение. На сколько я знаю, Lipo одна ячейка имеет напряжение 3,7 вольта под конец зарядки, будет ли достаточно ей ограничения в 3,3 вольта на выходе от преобразрователя?
Для полной зарядки лития надо 4,1...4,2 В на банку. Именно на такое выходное напряжение надо настраивать DC-DC. Вопрос только есть ли в этой микросхеме защита от превышения тока. На структурной схеме я её не вижу. Максимки вообще довольно премудрые микросхемы. Попробуй на эту тему поспрашивать на форумах электронщиков. Я не настолько грамотный специалист чтобы сходу выдать ответ. Надо сидеть и разбираться, но на это у меня просто нет времени.
Ребята, не подскажете какой преобразователь подойдет для самодельного модуля пельтье 12в 5,10а. С возможностью подключения к бортовой сети, чтоб уменьшить нагрузку на генератор. Хочу утилизировать тепло от выхлопной трубы, хотя кпд и мал, но от паршивой овцы хоть шерсти клок.
"Клок шерсти" взять не получиться, максимум 1-2 волоска. Сам посчитай: мощность генератора порядка 800...1000 Вт. А с элемента Пельтье ты получишь в лучшем случае 2...3 Вт. Это 0,25...0,3% от мощности генератора. Это не то что неэффективно, это просто никак. Я не силен в автоэлектрике, но уверен, что с помощью некоторых доработок генератора и схемы его подключения можно получить прибавку мощности намного больше, чем одну четырёхсотую часть. Либо просто поставить более мощный генератор. Лучше сделать из этого модуля переносной холодильник, чтобы летом в поездках пить охлаждённые напитки. Это более разумное применение для этого модуля.
