Przedstawiony projekt ładowarki zasilanej ciepłem jest doskonałym pomysłem do wykorzystania na biwaku czy pod namiotem. Jest to godna przemyślenia alternatywa dla ładowarek solarnych, których można używać jedynie podczas operowania słońca.
W projekcie został zastosowany element termoelektryczny zwany także ogniwem Peltiera, TEC lub TEG. Jedna strona modułu ogniwa musi być grzana, druga chłodzona. Kiedy między dwoma stronami modułu wytwarza się różnica temperatur zaczyna być produkowana energia elektryczna. Koncepcja fizyczna wykorzystywana przez moduł zwana jest zjawiskiem Seebecka. Elementy termoelektryczne wykorzystują często odwrotne zjawisko zwane efektem Peltiera. Kiedy do modułu podawane jest napięcie elektryczne, następuje transfer ciepła pomiędzy jedyną stroną a drugą. Często wykorzystuje się to zjawisko w małych lodówkach.
Po kilku próbach z tanimi ogniwami termoelektrycznymi autor zdecydował się na zakup ogniwa TEG o rozmiarach 40mmx40mm i wydajności 5,9W (4,2V/1,4), dla różnicy temperatur na poziomie 180oC. Maksymalna temperatura pracy to 360oC (180oC dla strony chłodnej), co powinno wystarczyć w tym przypadku. Koszt ogniwa to około 50€ ale jak twierdzi autor to cena i tak niższa niż dobre ładowarki słoneczne i inne komercyjne ładowarki termoelektryczne.
Do transferu ciepła a następnie rozpraszania go za pomocą powietrza potrzeba zazwyczaj dużego radiatora. Ponieważ konstrukcja ma być przenośna, zwarta i lekka autor musiał ograniczyć się do niewielkiej wielkości radiatora. Postanowił więc „ukraść” część energii i ochładzać konstrukcję za pomocą wentylatora elektrycznego. To oczywiście obniża dostępną moc na wyjściu, ale było jedynym pomysłem, aby zachować małe rozmiary ładowarki. Aby zablokować transfer ciepła z ciepłej warstwy na chłodną, do mocowania radiatora zostały użyte podkładki izolacyjne, a także warstwa izolacyjna pomiędzy płytą grzewczą a resztą układu.
Cechy układu:
• Regulowane napięcie wyjściowe
• Regulowane obroty wentylatora chłodzącego
• Regulowana temperatura, przy której zgłaszane jest ostrzeżenie
• Regulowany ogranicznika napięcia
• Regulowana wysokość konstrukcji
• Opcjonalne złącze USB
• Łatwość montażu/demontażu
• Waga 400g
• Wymiary 90mmx90mmx80mm
Możliwości zastosowania:
Ładowarkę można zasilać z wielu różnych źródeł ciepła:
• Świece (niska moc wyjściowa)
• Palnik kuchenki/pieca (trudne do kontroli)
• Palnik gazowy (najlepsze rozwiązanie jak do tej pory)
• Metalowy kominek (nietestowany)
• Ognisko (nietestowane)
• Metalowa puszka z ogniem (nietestowana)
• Grill (nietestowany)
Przykładowe aplikacje do zastosowania:
• Nocne oświetlenie za pomocą lamp LED
• Ładowarka USB (telefony, akumulatorki)
• Zewnętrzny wentylator
• Gadżety USB
• Wysokiej intensywności sygnały SOS
• Ładowanie dużych kondensatorów
Elementy użyte w projekcie:
• Wysokotemperaturowy moduł TEG TEP1-1264-1.5
• 2 przetwornice podwyższające napięcie (z projektu http://www.instructables.com/id/Adjustable-Voltage-Step-up-07-55V-to-27-55V/)
• 1 mały radiator od starego komputera (DxSxW=60x57x36mm)
• 1 płytka aluminiowa DxSxW=90x90x6mm
• 5V silnik bezszczotkowy DC z plastikowym wentylatorem
• Mocowanie do radiatora z aluminiowego pręta (6x10x82mm)
• 2x śrubka M3 + 2 nakrętki + 2 podkładki do skręcania radiatora: 25mm długości
• 2x podkładki metalowe M3 o grubości 1mm
• 4x śrubka M4 + 8 nakrętek + 4 podkładki, jako baza konstrukcji:70mm długości
• 4x podkładki metalowe M4 o grubości 1mm
• 4x śrubka M4 o długości 15-20mm
• 4x wkręty do drewna (35mm)
• 2x podkładki izolujące ciepło, skonstruowane z tektury lub starego plastiku spożywczego
• Tektura falista o wymiarach 80mmx80mmx2mm (niezbyt dobra na wysoką temperaturę)
• 2x sprężyny z haczykami rozciągane do długości 45mm
Cena całości to około 80€, jednak najdroższą częścią jest moduł TEG za około 45€
Specyfikacja modułu TEG
Moduł TEP1-1264-1.5 ze strony http://termo-gen.com/
Osiągi przy 230oC na stronie ciepłej i 50oC na stronie chłodnej:
Uoc: 8.7V
Ri: 3Ω
U (obciążone): 4.2V
I (obciążone): 1.4A
P (dopasowane): 5.9W
Ciepło: 8.8W/cm2
Wymiary: 40x40mm
Konstrukcja ciepłej strony będzie również podstawą do zamocowania radiatora i solidnych nóg.
Otwory 2,5mm są dopasowane rozstawem do długości aluminiowego pręta a następnie nagwintowane gwintownikiem M3.
Otwory 3,3mm zostały wywiercone w odległości 5mm od krawędzi a następnie nagwintowane do rozmiaru M4. Śruby M4 zostały wkręcone przez otwory narożne i zablokowane dwoma nakrętkami oraz po 1 podkładce na górnej stornie śruby. Można użyć śrub o długości 20mm w zależności od tego, co będzie używane jako źródło ciepła.
Najważniejszą rzeczą jest dobre przymocowanie radiatora na wierzchniej stronie płyty aluminiowej i jednoczesne jak najlepsze izolowanie ciepła. Radiator musi być utrzymywany w najniższej jak to tylko możliwe temperaturze. Rozwiązaniem, które zastosował autor jest tektura izolująca oraz dwie podkładki izolacyjne przytwierdzona do pręta mocującego tak, aby śruby nie przenosiły ciepła na radiator. Muszą one obsłużyć temperaturę rzędu 200oC-300oC.
Odpowiedni kształt aluminiowemu prętowi został nadany pilnikiem, tak, aby zmieścił się w otworze zrobionym w radiatorze. Następnie wywiercono w nim dwa otwory o średnicy 5mm (ważne, aby śruba nie stykała się z radiatorem). Przygotowano dwie podkładki 8mmx8mm z plastiku żywnościowego oraz dwie z kartonu a następnie po wywierceniu otworów o średnicy 3,3mm w plastiku i 4,5mm w kartonie przymocowano je koncentrycznie do aluminiowego pręta za pomocą kleju. W otwory będzie wchodziła śruba M3 (jak twierdzi autor być może śruba M4 lepiej przenosiłaby obciążenia), która będzie wkręcona do aluminiowej płyty.
Na wierzchnią stronę płyty aluminiowej naklejona będzie tektura falista o grubości 3mm zapobiegająca nagrzewaniu się chłodnej strony modułu TEG od płyty, która będzie mieć naprawdę wysoką temperaturę. Jat twierdzi autor tektura może być niewystarczająca i podczas ogrzewania z kuchenki gazowej przy bardzo mocnym płomieniu może dojść do jej zwęglenia, dlatego wszelkie pomysły mile widziane. W kartonie należy wcześniej wyciąć odpowiedni otwór na moduł TEG, dwa wystające przewody, dwa otwory na śrubki M3 oraz kwadraty o bokach 5mmx5mm w rogach na śrubki M4.
Montaż
Na radiatorze układany jest modułów TEG oraz dopasowana do niego tektura. Pomiędzy tekturą a radiatorem umieszczana jest podkładka o grubości 1mm w celu zapobiegnięcia bezpośredniego kontaktu tektury z gorącym radiatorem. Całość umieszczana jest na płycie aluminiowej i spinana ze sobą poprzez aluminiowy pręt śrubami M3. Kolejność montażu od góry wygląda następująco: śruba, podkładka z tworzywa sztucznego, podkładka z cienkiej tektury, aluminiowy pręt, nakrętka, tektura 2mm, podkładka 1mm, płyta bazowa. Tektura nie powinna stykać się bezpośrednio z aluminium. Ostatnim krokiem montażu jest przykręcenie wentylatora 40mmx40mm na radiatorze za pomocą czterech wkrętów.
Elektronika
Głównym założeniem projektu było otrzymanie stabilizowanego napięcia do ładowania telefonu i różnego rodzaju gadżetów. Ponieważ moduł TEG wytwarza bardzo niskie napięcie (0-5V w zależności od źródła ciepła) potrzebna jest dobra przetwornica podwyższająca napięcie. Ostatecznie zostały zbudowane dwie przetwornice, jedna na napięcie 3-5V do zasilania wentylatora, druga do zasilania innej elektroniki.
(http://www.instructables.com/id/Adjustable-Voltage-Step-up-07-55V-to-27-55V/)
Elektronika musiała spełniać dwa założenia:
1. Moduł TEG powinien być chroniony przed przegrzaniem
2. Ładowany telefon musi być chroniony przed zbyt wysokim napięciem
Moduł TEG może pęknąć, jeżeli temperatura przekroczy 350oC na stronie ciepłej lub 180oC na stronie chłodnej. Dlatego też została zbudowana lampka LED ostrzegająca czerwonym światłem o osiągnięciu limitu temperatury, który można sobie dowolnie określić.
Kiedy w urządzeniu pojawi się zbyt dużo ciepła, napięcie przekroczy 5V, co może spowodować uszkodzenie niektórych elementów elektronicznych. Przetwornica może tylko podwyższać napięcie, ale nie może go niestety zmniejszyć. Został więc dobudowany regulowany ogranicznik napięcia. Składa się ze wzmacniacza operacyjnego i diody Zenera wykrywającej odpowiednie napięcie, aby uruchomić następnie tranzystor MOSFET. Tranzystor zwiera źródło zasilania na krótko, jeżeli napięcie przekroczy limit. Spowoduje to szybki wzrost prądu a ponieważ moduł TEG ma ograniczony prąd na wyjściu w konsekwencji spadnie napięcie wyjściowe. Oznacza to, że spali w postaci ciepła całą energię, ale jednocześnie utrzyma bardzo stabilne napięcie, które nie przekroczy 5V. W tym samym czasie zostaną zapalone diody LED, co zaalarmuje użytkownika o konieczności zmniejszenia ognia, aż diody LED ponownie zgasną. Oczywiście prostsze byłoby zwarcie zasilania do masy samą diodą Zenera, jeżeli napięcie wzrośnie powyżej 4,7V, ale autor nie mógł znaleźć diody na moc powyżej 5W.
Sercem tego układu jest niskonapięciowy wzmacniacz operacyjny. W projekcie został użyty MCP6002 na napięcie 1,8V-6V. Posiada wewnątrz dwa osobne wzmacniacze, więc pozwala na zbudowanie zarówno monitora temperatury jak i ogranicznika napięcia.
Elementy potrzebne do budowy:
•IC: MCP6002
•8PIN podstawka pod IC
•R3,R4,R5: 1KΩ
•R6: 22KΩ
•R7, R8: 470Ω
•R9: 100KΩ
•R10: 10KΩ
•R11: PT1000 czujnik temperatury
•R12, R13: 68KΩ
•R14, R15: 47KΩ
•P2, P3: 1KΩ (może 10KΩ też działa, nie testowano)
•D3, D4: Red LED
•D5: 4.7V dioda Zenera
•T1: tranzystor MOSFET wysokiej mocy BUZ12 lub podobny
Elementy zostały polutowane według dołączonego schematu na płycie perforowanej.
Należy dokładnie zmierzyć oporność R3, ponieważ jest potrzebna w kalibracji. Kalibracja przebiegła następująco: czujnik temperatury został przyłożony do chłodnej strony modułu TEG. Temperatura, przy której będzie wyświetlane ostrzeżenie została ustalona na 120oC, aby można zareagować w odpowiednim czasie. Platynowy czujnik PT1000 ma rezystancję na poziomie 1000Ω w temperaturze zera stopni i zwiększa swoją wartość rezystancji wraz ze wzrostem temperatury. W celu obliczenia kalibracji potrzebna jest dokładna wartości R3. Wartość opornika w projekcie to 986 Ω. Zgodnie z tabelą czujnik PT1000 będzie miał rezystancję na poziomie 1461 Ω przy temperaturze 120oC. R3 i R11 tworzą dzielnik napięcia, z którego napięcie wyjściowe jest obliczane zgodnie z wzorem:
Vout = (R3 * VIN) / (R3 + R11).
Najprostszym sposobem kalibracji jest podanie na obwód napięcia 5V a następnie pomiar napięcia na pinie 3 układu scalonego. Zamieniając rezystancję P2 należy osiągnąć napięcie Vout wyznaczone z wzoru. W projekcie będzie to (986 * 5) / (1461 +986) = 2.01V
Po dostosowaniu rezystancji P2, napięcie na pinie 3 będzie wynosiło 2,01V. Kiedy R11 osiągnie 120oC napięcie na pinie 2 będzie niższe niż na pinie 3 i zostanie wysterowana dioda LED. R6 pracuje, jako przerzutnik Schmitta a jego wartość określa jak szeroka będzie pętla histerezy. Zwiększając wartość R6 osiągniemy efekt szybszego przełączania.
Kalibracja ogranicznika napięcia jest znacznie prostsza. Wystarczy podać na układ napięcie limitujące a następnie tak podkręcić P3 żeby dioda LED zaświeciła. Zasada działania jest identyczna jak układu kontroli temperatury
Ostatnią dodaną do projektu rzeczą jest złącze USB.
Wiele współczesnych telefonów nie będzie się ładowało, jeżeli nie będzie podłączone do właściwej ładowarki. Telefon decyduje czy będzie się ładował poprze analizę linii danych złącza USB. Jeżeli na linię danych jest podawane napięcie 2V, telefon „myśli”, że jest podłączony do komputera i zaczyna ładowanie z niską mocą na poziomie 500mA. Aby uzyskać 2V na linii danych został zastosowany następujący dzielnik napięcia.
Vout = (R12 * Vin) / (R12 + R14) = (47 * 5) / (47 +68) = 2,04
Jest to bardzo dobra wartość, ponieważ napięcie zasilające zwykle lekko przekracza 5V.
Wszystkie układy zostały przymocowane wokół wentylatora nad radiatorem. Płyty najlepiej skleić razem a następnie ścisnąć za pomocą dwóch sprężyn wokół wentylatora, aby wszystko trzymało się w zwartej pozycji. Następnie należy znaleźć dobre miejsce na złącze USB co nie jest takie łatwe. Czujnik temperatury należy przymocować jak najbliżej chłodnej części modułu pod tekturą izolacyjną upewniając się, że ma bezpośredni kantak z TEG.
Na gotowym już urządzeniu przeprowadzono następujące testy:
1. Najniższe napięcie, przy jakim pracował wentylator: 2.7V@80mA => 0.2W
Najwyższe napięcie przy jakim pracował wentylator: 5.2V@136mA => 0.7W
2. Ciepło z 4 podgrzewaczy
Zastosowanie: awaryjne zasilanie/światło do czytania
Moc wejściowa (wyjście TEG): 0,5W
Moc wyjściowa (odejmując 0,2W na wentylator): 41 białych diod LED, 2.7V@35mA => 0.1W
Sprawność: 0.3/0.5 = 60%
3. Ciepło z 6 podgrzewaczy
Zastosowanie: LED
Moc wyjściowa (odejmując wentylator przy 30% prędkości): 0,44W
4. Ciepło z palnika gazowego
Zastosowanie: ładowanie iPhone4s
Moc wejściowa: 3,2W
Moc wyjściowa (odejmując 0,7W na wentylator): 4.5V@400mA => 1.8W
Sprawność: 2.5/3.2 = 78%
Średnia temperatura strony cieplej wynosiła 270oC, strony chłodnej natomiast 120oC. Możliwość uruchomienia jedynie na krótkie okresy
5. Ciepło z palnika gazowego
Zastosowanie: ładowanie iPhone4s
Moc wyjściowa (odejmując wentylator przy 75% prędkości): 4.25V@300mA => 1.3W
To był długi stabilny test, podczas którego telefon ładował się z mocą 300mA
Podczas testów okazało się, że najbardziej optymalną praca wentylatora występuje przy 60-80% prędkości obrotów.
Dobrym pomysłem na przyszłość jest dorobienie chłodzenia wodnego, które z pewnością pędzie bardziej efektywne.
http://www.instructables.com/id/Battery-Charger-Powered-by-Fire/#step1
Cool? Ranking DIY
).
