Главная тех. библиотека Андрей Ходкин. Часть 1. Термогенератор Пельтье.

За последние 10 лет появились и стали доступны чрезвычайно полезные в походах приборы. Главные из них, это, безусловно:

- GPS-приемник,

- сотовый телефон,

- мобильная радиостанция,

- цифровой фотоаппарат,

- светодиодный фонарь.

Однако все эти приборы потребляют исключительно чистое электричество и испытывают отвращение к таким традиционным туристским энергоносителям, как дрова, газ и бензин. Сегодня эти приборы потребляют уже не такое количество электричества как при своем рождении, появились замечательные батарейки типа «Duracell Ultra M3», но проблемы энергоснабжения остались.

Об этих проблемах знают все, кто ходил в сколь-нибудь продолжительные походы при отрицательной температуре (зимой или в горах). А еще об этих проблемах должны знать счастливцы, доучившиеся в средней школе до 8-го класса. Любая батарейка представляет собой электрохимический источник тока, эффективность которого (емкость и ток отдачи) стремительно падают в области отрицательных температур. Для электрохимических аккумуляторов (свинцовых, никель-кадмиевых, никель-металлгидридных, литиевых, и т.д.) это справедливо в той-же (если не в большей степени). Кроме того, для аккумуляторов необходимо учитывать еще и ток саморазряда, достигающий для некоторых типов аккумуляторов 30% емкости в месяц (www.cadex.ru, http://www.cadex.ru/?page=batteryes&mode=2 ). А если вспомнить о всяческих мелких неприятностях вроде намокания шмоток (вместе с батарейками) в рюкзаке, то становится совсем грустно. Короче говоря, если вы рассчитываете воспользоваться каким-нибудь прибором в походе, то следует брать с собой по крайней мере 2 комплекта элементов питания.

Со мной на протяжении нескольких лет постоянно путешествуют:

GPS-приемник Garmin eTrex (2 батарейки типа АА, ресурс 24 часа),

Светодиодный фонарь Petzl Tico (3 батарейки AAA, ресурс 24 часа),

Мобильный телефон Siemens M35 ( Ni-CD аккумулятор, ?? часов) или Me-45 (Li-ion аккумулятор)

Цифровой фотоаппарат Fuji FinePix s7000 (4 батарейки AA, около 100 снимков).

При необходимости беру еще и радиостанцию JJ-Connect (4 батарейки ААА, 30 часов). Все ресурсы указаны заводские, они более или менее реальны при комнатной температуре. Для рации предполагается, что говорить за 30 часов придется раз 30 (стандартных средних радиосеансов), остальное время она включена на прием.

В зимних условиях похода в средней полосе ресурс (в среднем) должен быть уменьшен в 2 раза. В более суровых условиях – в 3 раза. В десятидневный поход в Хибины в марте я беру 2 комплекта (1 комплект установлен) батареек. Туда же в январе – 3 комплекта (хотя обычно хватает двух). К телефону всегда беру заряженный запасной аккумулятор. Штатный аккумулятор из телефона в походе вынимаю. В остальные сезоны в продолжительные походы беру 2 комплекта батареек для всего оборудования.

Не могу сказать, что меня радует необходимость таскать с собой повсюду тяжелые и совершенно несъедобные батарейки. Особенно зимой, когда, протаскав их весь поход, можно обнаружить, что они перемерзли и не годны. Поэтому я (и подозреваю, что не только я) постоянно думаю о возможности замены батареек в походе каким-нибудь альтернативным источником электроэнергии. Выбор для туристов не очень велик:

- солнечные батареи;

- элементы Пельтье;

- ветрогенератор;

- гидроэлектрогенератор;

- ручной генератор («динамо»);

- все остальное, еще более экзотическое.

Солнечные батареи требуют к себе внимания – их надо держать на солнце. А солнца может и не быть. Ветрогенератор требует ветра, да и габариты его велики (по крайней мере в известных конструкциях). То же и с гидроэлектрогенератором. Ручной генератор, напротив, крайне нетребователен к природным условиям, жми рукой, да жми. Однако все три типа генераторов (ветро, гидро и ручной) содержат в своем составе электрическую машину с постоянными магнитами (а это вес), и механическую передачу, что вызывает вопросы относительно надежности.

Слава Богу, француз Жан Шарль Атаназ Пельтье в 1834 году, оторвавшись на секунду от бутыли бургундского J, открыл эффект своего имени. Эффект (в современном прочтении) заключается в следующем: при протекании электрического тока через соединение двух металлов, сплавов или полупроводников происходит выделение или поглощение тепла. Эффект обратим – т .е. если на физически разнородных элементах цепи создать градиент температуры, в цепи потечет ток. В настоящее время серийно выпускаются элементы Пельтье, предназначенный для использования в составе холодильных установок различного назначения. В СПб, в компании Криотерм (http://www.kryotherm.ru) производят и специализированные модули для генерации энергии. Они имеют некоторые конструктивные отличия (в основном направленные на повышение рабочего напряжения модуля), но принципиально от «холодильных» не отличаются.

Я уже давно облизывался на элементы Пельтье, как источник электроэнергии в походе, но не доходили руки. А тут мы снова собрались в январе в Заполярье, и руки сразу дошли J. Необходимо было сделать зарядное устройство для мобильного телефона – через 10 дней ночевок на морозе аккумуляторы умирают даже отдельно хранимые. А мобильный телефон – самое мощное средство добыть машину и вовремя добраться до обратного поезда в условиях полярной ночи. Я полез искать в Интернете, где купить модуль Пельтье, добрался до Криотерма и обнаружил, что Криотерм уже сделал генератор на базе ковшика – черпачка. Это меня убедило в реальности моих фантазий. Живу я в Москве, в Питер ехать мне было не с руки, поэтому я поехал в магазин «Чип и Дип», где купил тайваньский модуль Пельтье (за 900 р), пригоршню радиодеталей (за 200 р) и тюбик теплопроводящей пасты. На обратном пути я заехал в «автозапчасти», где купил герметик для выхлопных труб. Дома я порылся в шкафу, где нашел две алюминиевые кружки, одна из которых (после отпиливания ручки) могла вставляться внутрь другой. Итак, все было готово для сборки ТЕРМОГЕНЕРАТОРА ПЕЛЬТЬЕ.

Сборка генератора.

Смысл конструкции – взять бОльшую кружку, уложить ей на дно элемент Пельтье, сверху на элемент Пельтье установить меньшую. В меньшую наливается вода (насыпается снег), внешняя ставится на огонь (в моем варианте на газовую горелку). Далее технологические моменты:

- Поверхность кружек в месте контакта с элементом Пельтье должна быть ровной, зачищенной, а лучше всего полированной. Я, на всякий случай, отполировал дрелью, с вставленным в шпиндель войлочным пыжем, натертым пастой ГОЯ, но на самом деле это не представляется принципиальным.

- На поверхности касания элемента Пельтье и кружек (обоих) необходимо нанести термопроводящую пасту (КПТ-8).

- Пространство между донцами кружек, не занятое элементом Пельтье лучше заполнить термостойким герметиком (герметик для выхлопных труб).

Элемент Пельтье лучше всего брать с максимальным количеством ветвей (термоэлементов). Я купил TEC1-127120-50 (у него 127 элементов), на 12А в режиме охлаждения. Можно брать и на меньший ток ( для моих целей данный элемент оказался гораздо мощнее необходимого). Напряжение на выходе элемента (при снеге, насыпанном во внутреннюю кружку, на электрической плите) составляет около 3В. Ток – до 1.5А. При кипящей воде в кружке на электрической плите мощность падает примерно в 3 раза (при этом напряжение падает до 1.2В).

Для зарядки сотового телефона необходимо более или менее стабильное напряжение +5В (Siemens M35, Ni-Cd) или +6.5В (Siemens Me45, Li-ion). В качестве преобразователя напряжения (step-up converter) я использовал отечественную микросхему КР1446ПН1 в DIP корпусе. Существуют гораздо более мощные и функционально развитые аналоги, но в Москве они присутствуют только в корпусах для поверхностного монтажа, причем в миниатюрных, а возиться с распайкой уже не было времени и сил. Микросхему я включил в штатном режиме «5 Вольт» в соответствии с документацией (http://www.angstrem.ru/pdf/1446pn1.pdf ). На вход подал напряжение с элемента Пельтье. Кабель от элемента Пельтье пустил проводом МГТФЭ-0.35 (со временем собираюсь заменить на провода в термостойкой изоляции от электроплиты). Изоляцию проводов в термозоне обеспечил заворачиванием их в термостойкую ткань и заливкой герметиком. Выход проводов на кружке зафиксировал черной матерчатой изолентой. На всякий случай (вдруг градиент температуры изменит знак, например, кто-нибудь поставит кружку с кипятком в снег) на вход микросхемы (параллельно элементу Пельтье) припаял шунтирующий мощный диод. К выходу микросхемы припаял кабель от старой зарядки Siemens M35, и индикаторный светодиод («+5В»).

Потом подключил телефон Siemens M35, поставил генератор на горелку, а в кружку засыпал снег. Через 15 сек. светодиод загорелся, а на индикаторе телефона появился символ «зарядка».

Используемая микросхема выдает не более 100 ма, что позволяет использовать только 20% от мощности, генерируемой элементом Пельтье. Для зарядки телефона мне этого вполне хватает, но со временем хочу поставить более сильноточный преобразователь (и на бОльшее напряжение, чтобы можно было заряжать Li-ion аккумуляторы, и батареи аккумуляторов).

Термогенератор ездил со мной в этом январе в Хибины, где мялся и бился в рюкзаке, отмокал в тамбуре палатки, замерзал в снегу, скатывался по камням, протрясся 3000 км на поезде, но на его работоспособности это никак не отразилось.

Итак, я стал счастливым обладателем ударопрочного электро-термогенератора, не имеющего подвижных частей и выдающего стабилизированное напряжение +5В при силе тока 100 ма (0.5 Вт). Мощность ограничена преобразователем напряжения. Вес генератора со всеми проводами и преобразователем напряжения –400 гр. Из них 100 гр – вес герметика, на который я не поскупился (можно существенно уменьшить его количество). Кроме выработки электричества, генератор еще и кипятит воду для чая. В дальнейшем я собираюсь поменять преобразователь (микросхему) на более мощный и пустить от кружки по-настоящему термостойкие провода – чтобы можно было эксплуатировать генератор не только на горелке, но и на обычном костре. Ожидаемая мощность генератора в модернизированном варианте – 3Вт при работе на снеге и около 1.5Вт при работе на кипящей воде. Эта мощность позволит (надеюсь) перейти на аккумуляторное питание всех приборов, что сэкономит в походах некоторый вес и позволит не возиться с батарейками (не надо будет в морозы брать их с собой в спальник, носить за пазухой и т.п.).


Автор: Андрей Ходкин
Сайт: http://overland-botsman.narod.ru/
Оригинал статьи: http://overland-botsman.narod.ru/termogen.htm