Я обещал разным людям на turizm.lib.ru написать несколько заметок на разные темы. Потихоньку начинаю отдавать долги. Сначала продолжение истории об источниках электроэнергии в походах.
Итак, снова об электричестве в походах.
Первый мой источник на базе элемента Пельтье подробно описан на моей страничке, ему посвященной.
Я его модернизировал. Во первых изменил преобразователь – теперь он выдает 6.5В на холостом ходу, имеет встроенные аккумуляторы для запасания энергии. Во вторых – кроме кружки у меня теперь есть еще 3 источника электроэнергии – 2 на элементах Пельтье и солнечная батарея.
Сначала о преобразователе.
Преобразователь – это электронный блок, включаемый между элементом Пельтье (или другим источником) и электрической нагрузкой. Смысл преобразователя в согласовании напряжений. Преобразователь двухкаскадный, собран на 2 микросхемах MAX 756. Первый каскад включен в соответствии с документацией в режиме выхода 3.3В. В нагрузку каскада через выключатель, диод и токоограничивающий резистор подключена пара последовательно соединенных Ni-Mh аккумуляторов. Ni-Mh выбран из за его нетребовательности к соблюдению режимов заряда/разряда. Второй каскад преобразователя подключен к выходу первого и включен в режиме выхода +5В. Схема обоих каскадов – в соответствии с документацией на микросхему. Но тут есть особенность – если вы хотите заряжать что-то вроде Siemens Me-45/Siemens-X65 (с литиевым аккумулятором), вам нужно около 6.5В на выходе преобразователя на холостом ходу. Для этого в цепь обратной связи второго каскада преобразователя (между ногой 6 и выходом каскада) вводится цепочка из 3 последовательных кремниевых диодов (все включены анодом к выходу преобразователя). Есть способ лучше – использовать MAX757 (у нее есть отдельный выход обратной связи). Вот, собственно, и вся схема. Идеологически она меня полностью устраивает. Преобразователь в этой версии таскается со мной по разным неудобьям уже почти год – проблем не замечено. Очень подробное How-to по использованию MAX756 в качестве преобразователя можно найти на http://www.instructables.com/id/EGBQJPLCB2EP287KTZ. В моем преобразователе собрано практически 2 таких каскада.
Преобразователь с открытым аккумуляторным отсеком и извлеченными аккумуляторами.
Нутро преобразователя.
Выходной разъем преобразователя и цоколевка соответствуют разъему USB Type A, что позволяет подключать любые USB-устройства и кабели. Внимание! Если вы собираетесь подключать USB устройства лучше вернуть выходное напряжение на +5В (убрать диоды из обратной связи второго каскада), хотя, скорее всего ничего страшного и не произойдет. Надеюсь, читатель понимает, что преобразователь выдает в разъем USB только питание, это в большинстве случаев позволяет заряжать всяческие USB гаджеты (GPS, КПК). Но! Управлять USB устройствами преобразователь не умеет J. Также, скорее всего, нельзя подключать преобразователь к порту типа USB-Host (некоторые КПК выпуска после 2005 г.).
Первичные источники электричества
В настоящее время мой парк источников электричества, способных питать преобразователь, представлен:
Самодельными:
1) Кружкой со встроенным в дно элементом Пельтье (наливается водой и ставится на горелку);
2) Костровым тепловым элементом;
3) Автономным термоэлектрогенератором Пельтье..
Покупными:
4) Модулем солнечной батареи (2В, 400 ма).
Все источники оснащены унифицированным разъемом, позволяющим подключать их к преобразователю.
Кружка подробно рассмотрена в описании первой версии термогенератора.
Костровой тепловой элемент представлен модулем Пельтье, оборудованным системой радиаторов и металлическим колышком. Колышек с элементом втыкается в землю около костра. Радиаторы имеют специальную форму – площадь радиатора со стороны костра («горячая» сторона) бОльшая, оребрение горизонтальное. С «холодной» стороны радиатор меньше и имеет вертикальное оребрение. Эти конструктивные ухищрения призваны обеспечивать максимальный градиент температуры на сторонах элемента. Большая площадь «горячего» радиатора экранирует «холодную» сторону от костра, а горизонтальное оребрение снижает конвективный перенос тепла с радиатора в воздух. Часть вертикального оребрения по краям горячей стороны радиатора оставлена, для снижения краевых эффектов и предотвращения перегрева элемента. Радиатор «холодной» стороны, напротив, имеет только вертикальное оребрение, способствующее конвективному переносу тепла от элемента в окружающий воздух. В соответствии с принятыми в радиотехнике практическими формулами, количественная разница конвективного теплопереноса с вертикальных поверхностей с горизонтальным и вертикальным оребрением достигает 50%.
Костровой элемент "холодной" стороной к нам.
"Горячей" стороной к нам. Отсутствует съемное горизонтальное оребрение сверху и снизу радиатора.
Костровый модуль в рабочем пространственном положении. Костер должен был бы быть в левой части фотографии.
«Костровой» элемент замечательно работает в широком диапазоне мощностей костра, никаких проблем с его эксплуатацией за полгода не возникло. Элемент Пельтье и подводящие провода (несмотря на мои опасения за их термостостойкость) по-прежнему как новые. Видимо я угадал с размерами и схемой расположения радиаторов.
Автономный термоэлектрогенератор Пельтье. Самодостаточный прибор, в алюминиевом корпусе, со встроенной газовой горелкой, пьезоподжигом, системой лабиринтных теплообменников и воздуховодов. Расход газа – около 10 грамм/час. Вес генератора с газовой арматурой, кабелем (без газового баллона) – 650 гр. Принцип использования – «выстрелил и забыл» - т.е. вынес генератор на свежий воздух, открыл газовый вентиль, щелкнул поджигом – и электричество потекло по проводам к алчным его потребителям.
Я провозился с этим монстром полтора месяца. Пару раз он у меня взрывался, выбрасывая клубы пламени. Безумно капризная штука китайский пьезоподжиг, выломанный из кухонной зажигалки. И, напоследок, там оказалась масса сложностей, связанных с обеспечением режима устойчивого управляемого горения газа внутри корпуса. Сложности эти я постепенно устранил при помощи изменения формы внутренних воздуховодов и воздухозаборных отверстий на корпусе. Генератор приемлемо работает, но брать его с собой в серьезные походы я пока не хочу – он получился достаточно тяжелым и довольно капризным. В принципе можно существенно упростить и улучшить генератор, но пока я его отложил.
Элементы автономного генератора в процессе сборки:
Взяли алюминиевый корпус, на дно посадили пару элементов Пельтье (на термопасту)
Сверху посадили на такую же термопасту игольчатые радиаторы
Сделали крышку теплообменной камеры со впускным и выпускным патрубками
Установили крышку на штатное место, теплообменная камера собрана
Смонтировали горелку, вывели провода. Осталось закрыть крышку.
* на фотографии не показан конусный пламяуловитель (жестяной конус, одевается узким горлом на вводной патрубок теплообменной камеры (латунный), широкой стороной к форсунке горелки) . Элементы Пельтье подключаются последовательно.
Автономный термогенератор Пельтье в штатной конфигурации. Осталось только щелкнуть поджигом.
Процесс пошел..
Преобразователь вышел на штатный режим, заряжает встроенные аккумуляторы.
Солнечный элемент - покупной (www.chip-dip.ru ), 2В, 400 ма. Единственная моя доработка – установка выходного разъема и наклеивание на обратную сторону элемента «липучки». Комплементарную часть липучки я приколол английскими булавками на крышу рюкзака, чтобы элемент можно было легко монтировать и снимать.
Преобразователь, термогенератор-кружка и солнечный элемент. Взаимные габариты.
Вот этими описанными штуковинами я пока закрыл для себя тему теплоэлектричества – генераторы работают, телефоны и фонарики заряжаются.
Но хочется большего. Меня в последнее время в наибольшей степени интересуют источники энергии, применимые в высокоширотных походах (как правило, лыжных) в зимних условиях. При этом хочется иметь в походе энерговооруженность, позволяющую использовать современные приборы типа КПК/GPS/радиосвязи каждому участнику похода без оглядок на аккумуляторы. Устраивать ритуальное поочередное заряжание аккумуляторов вечером на костре/горелке для всех приборов вряд ли реально. Как маломощный/аварийный источник электроэнергии термогенераторы подходят, а вот как коллективная электростанция не очень. Кроме того, хочется иметь «безусловный» источник электропитания – не требующий предварительного разведения огня и т.п.
В поисках решения я внимательно изучил техническую документацию на щелочные элементы питания DURACELL, которую можно найти по адресу http://www.duracell.com/oem/productdata/default.asp и усмотрел следующие особенности:
1) хранение неподключенных элементов даже при значительных отрицательных температурах практически не вызывает деградации их емкости.
2) Напряжение отсечки в 0.8В, обычно рассматриваемое как напряжение разряженной батареи, отнюдь не означает полный разряд – из батарейки можно брать электричество и дальше. Тем более что нас не интересуют необратимые процессы в батарейке – мы не будем ее перезаряжать, а просто выкинем (утилизируем!) по исчерпании.
3) Максимальное время работы батареи достигается в режиме потребления постоянной мощности (а не в режимах постоянного сопротивления или постоянного тока нагрузки).
И у меня появилась идея – сделать «ампульный» источник энергии, работающий от одной батарейки АА (ААА), и «высасывающий» ее «досуха». Понятно, что 1.2-1.4В выходного напряжения одного элемента не хватает для питания какой-либо техники, необходим преобразователь напряжения. Он же обеспечит нам режим «постоянной мощности потребления». Я купил очень хороших микросхем преобразователей NCP1400А в терраэлектронике (www.terraelectronica.ru ), развел и заказал в www.tabe.ru печатную плату и собрал преобразователь.
Микросхемы DC-DC преобразователей NCP1400A от ON SEMICONDUCTOR http://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=NCP1400A запускаются от 0.8 В и продолжают работать при входном напряжении до 0.2 В. Такие параметры позволяют питать преобразователь практически от любого физического источника разности потенциалов – например от спелой дыни (или даже груши), воткнув в нее 2 электрода. В случае с элементами Пельтье преобразователь сможет работать при перепаде температуры на элементе не более 30 градусов.
Конструктивно преобразователь собран на плате, повторяющей габариты стандартного элемента ААА. Это сделано для того, чтобы можно было использовать готовые батарейные отсеки, которые можно купить, например в Чип-Дипе (www.chip-dip.ru ) по 11 руб. Берется отсек на 2 элемента, вместо одной из батареек устанавливается преобразователь и опля! Преобразователь включен в соответствии с документацией http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP1400AV50EVB_SCHEMATIC.PDF . Для обеспечения зарядки телефонов с литиевыми аккумуляторами опять приходится прибегать к шельмовству – включать 3 (для Siemens-75 достаточно 2) диода между выходом преобразователя и выводом OUT микросхемы NCP1400. И еще важный момент (который я поначалу упустил). Между выходом преобразователя и выходным разъемом необходимо установить диод (лучше Shortkey). Иначе при разрядке батарейки ток начнет течь обратно – из заряжаемого устройства в преобразователь. И все драгоценное электричество перейдет в тепло.
PCB печатной платы не привожу, ибо там нет выходного диода. Но и схема и плата примитивны, если кому надо - пишите, вышлю. Если есть руки – сделать совершенно не проблема. Ну а если рук нет – даже самая подробная инструкция не поможет J.
Первые модули ампульных источников :) .(пока без выходного диода). Размер платы соответствует батарейке типоразмера ААА.
Идеология использования «ампульного» источника следующая:
Единицей расхода энергии является 1 элемент АА (ААА). Перед походом элементы по одному упаковываются (запаиваются) в целлофан. Можно добавить жареный силикагель J или рисовые зерна (как влагопоглащающее средство). При необходимости в электроэнергии извлекается из упаковки 1 элемент и снаряжается в преобразователь. Одного элемента DURACELL AA хватает примерно на 6 часов при выходных параметрах преобразователя 5В, 0.1А (КПД преобразователя и обвязки принимаем 70%). Это значения расчетные, экспериментальные будут позже. В чем особенности предлагаемого способа организации электропитания?
1) Поскольку используется 1 элемент, его емкость может быть использована максимальным образом по сравнению со схемами, содержащими несколько элементов, подключенных последовательно (емкость которых можно использовать с точностью до наихудшего из элементов).
2) Малые габариты источника позволяют «прописать» его во внутреннем кармане одежды, что позволяет обеспечить комфортную для электрохимических элементов температуру (что тоже увеличивает эффективную емкость).
3) Источник всеяден. Любые батарейки подходящие по размеру могут быть использованы без потери источником потребительских свойств (включая угольные).
4) Параметры используемых микросхем преобразователей позволяют «выжимать досуха» любые элементы питания.
Проблемы:
1) Мощность источника ограничена 0.5 Вт. Параллельное включение источников, если и возможно, требует дополнительных исследований.
2) Необходимы дополнительные исследования для определения необходимости реализации отдельной цепи отключения преобразователя при разряде элемента питания. В случае с телефоном такая цепь необходима (диод перед выходным разъемом). Для USB необходимость данной цепи неочевидна, но в силу некоторых причин может оказаться важной.
Я собираюсь использовать «ампульный» источник для одной своей задумки – комплекса навигационной безопасности для высокоширотных походов. Смысл задумки – обеспечить ВСЕХ участников похода информацией об их взаимном положении и об их положении на глобусе. Комплекс состоит из GPS-приемника с контроллером («компьютером») и приемопередатчиком (в общем, готово, но уж совсем в технические подробности я здесь не полезу). GPS-приемник размещен либо в рюкзаке, либо на санках у кого либо из участников. Каждый из участников похода имеет при себе (в кармане) небольшой прибор (размером со спичечный коробок) с приемопередатчиком и подключенной к нему гарнитурой. Прибор обеспечивает радиосвязь между участниками, а также условными сигналами выдает сигналы коррекции курса, и сигналы тревоги при пропадании сигнала от кого-либо из участников. Заодно система работает и как лавинный пингер. Описанные функции комплекса – это то, чего лично мне не хватает в высокоширотных походах (походах в безлесной зоне) в условиях плохой видимости:
- уверенности, что никто не отстал без необходимости постоянно оглядываться;
- возможности постоянной коррекции курса движения без остановки, извлечения из кармана и включения GPS и т.п. При этом курс на точку назначения естественно корректируется в процессе движения (в отличие от магнитного курса).
В общем, большинство компонентов у меня уже есть в наличии, написаны куски кода. Возможно, успею испытать все это к марту. А может все переиначу J. Архитектура системы может показаться странной, но она оптимизирована под готовые покупные блоки и минимизацию энергопотребления.
Если чего-то непонятно, или наоборот :) - связаться со мной проще всего по эл. почте, указанной на страничке Контакты.