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[导读]在户外旅行时,你们有没有遇到手机或其他电子设备没电,无法充电的情况呢?怎么办呢?下面这位哥们就想到了一个办法——热能发电。


在户外旅行时,你们有没有遇到手机或其他电子设备没电,无法充电的情况呢?怎么办呢?


下面这位哥们就想到了一个办法——热能发电。


虽然效率会很低,但结果真的可以充电。

项目来源:instructables.com 制作者:Joohansson

编译:王同学


视频中使用的是热电模块,也称为珀尔帖元件,TEC或TEG,模块中有1个热的一面和1个冷的一面,温差就会发电。当将其用作发电设备时,物理概念称为塞贝克效应。


热电模块主要用于产生相反的效应,即珀耳帖效应,然后施加电负载,这迫使热量从一侧传递到另一侧,这种方式常常用于较小的冰箱和冷却器应用场合。

既然是在野外艰苦的条件下使用,这个发电设备就要满足:


尽可能小,轻便和便携

可调电压(可供多种产品一起使用)

至少5V / 0.2A(1W)为手机充电,如果可能的话输出2W

与酒精/煤气燃烧器,篝火和蜡烛兼容



 具体的解决方案:


首先选择TEG模块:


如果要满足一定的功率输出,就需要一个功能强大的TEG模块。便宜点的TEC模块(8欧元)只能产生约0.5W的电压,而且它的电压过低、温度过高。当然,可以使用几个一起实现,但这是一个更复杂且受热量限制的结构。


所以最后采用的是40x40mm的TEG在180ºC时可产生5.9W(4.2V /1.4A)。它的最高工作温度为350ºC(冷侧180ºC),应该足够了。虽然价格相当昂贵,约50欧元,但仍然比大多数太阳能充电器便宜,或者其他商用热电充电器便宜。


其次是散热器:要带走所有热量并用空气冷却,通常需要一个大型散热器。由于电子结构需要紧凑且重量轻,因此只能使用很小的散热器。然后,决定还是用金属的散热器,并用电动机/风扇冷却。这将减少充电能量,但这是唯一能想到的减小尺寸(而不使用水冷)的方法。


随着温度的升高,它会产生更多的电能,并通过风扇产生更多的冷却功率。为了阻止热量传递到冷侧,使用了两个隔热垫圈进行固定,并在金属块之间使用了一层隔热层。



 主要材料:


1个高温TEG模块TEP1-1264-1.5

2个倍升压模块

1个小型散热器。从旧电脑拆下来的( 60x57x36mm)

1x铝板(90x90x6mm)

带塑料风扇的1x 5V无刷直流电动机

散热器固定件:铝条(6x10x82mm)


2个隔热垫圈:由硬纸板制成

80x80x2mm瓦楞纸板(在高温下不是很好)

2个拉簧:能拉长45毫米

数个螺母、螺栓等


TEG与散热器



搭结构


最重要的是将散热器固定在基板的顶部,但同时要隔离热量,要保持散热器尽可能冷却。最好的解决方案是两层隔热垫圈,这将阻止热量通过固定螺栓到达散热器。



组装:


1.将TEG模块安装在散热器上。

2.将纸板放在散热器上,然后临时固定TEG模块。

3.两个M3螺栓穿过铝条,然后穿过顶部有螺母的纸板。

4.将带有TEG和纸板的散热器安装在底板上,中间有两个1mm厚的垫圈,以将纸板与“热”底板分开。


从上到下的组装顺序是螺栓,垫圈,塑料垫圈,纸板垫圈,铝条,螺母,2毫米纸板,1毫米金属垫圈和基板。在底板的上侧添加4个1mm垫圈,以使纸板与接触隔离。



 电路


主要思想是具有稳定的输出电压,以便为不同类型的小工具充电或供电。由于TEG模块产生的电压非常低(0-5V,取决于热源),因此需要一个良好的升压和稳压器。升压电路功率不够强大,因此做了两个模块:一个将为3-5V风扇供电,另一个将为其他电子设备供电。


另外为此项目增加了两个要求:TEG模块需要防止过热;需要保护iPhone免受高压侵害。


温度监控器和稳压器:如果热端温度超过350ºC或冷端温度超过180ºC,TEG模块将破裂。为了报警,特地设计一个可调温度监控器。如果温度达到用户设置的特定限制,它将点亮红色LED。



当产生大量热量时,电压将超过5V,这可能会损坏某些电子设备。升压只能升压而不能降压。找不到能同时解决这两个问题的解决方案,因此设计了可调限压器。


它结合了运算放大器和齐纳二极管以检测特定电压,然后将输出信号馈送到MOSFET晶体管。


晶体管将使整个电源短路,但前提是必须高于电压限制(5V)。这将迅速增加电流,并且由于TEG模块具有有限的输出效果,因此将降低输出电压。


这意味着它将以热量的形式消耗掉所有能量,但同时保持非常稳定的电压,它不能超过5V。


它还会打开一个LED,以便用户可以关闭热源,直到LED再次熄灭。一个简单的解决方案是,如果高于4.7V,则仅使用一个齐纳二极管将输出电压接地。但这并没有那么明显,并且可能会逐渐消失。只能找到5W齐纳管,这还不够。


电路如下图,点击可放大:



该电路的核心是低压运算放大器,使用的工作在1.8-6V的MCP6002。它内部有两个单元,这意味着可以将温度监控器和电压限制器与同一电路组合在一起。


温度监控器校准:


将温度传感器PT1000放在TEG模块的冷侧。它的最高温度为180ºC,将监控电路报警值调为120ºC。需要计算电路中R3的确切值来得到报警阈值,这个项目中R3是986Ω。


PT1000在120ºC时的电阻为1461Ω。R3和R11构成一个分压器,并根据以下公式计算输出电压:Vout =(R3 * Vin)/(R3 + R11)。



校准这一点的最简单方法是输入5V,测量IC PIN3上的电压,然后调整P2,直到达到正确的输出(Vout)。


计算出的电压是这样的:(986 * 5)/(1461 + 986)= 2.01V。这意味着调整P2直到PIN3上有2.01V。


当R11达到120ºC时,PIN2上的电压将低于PIN3,从而触发LED报警。R6用作施密特触发器。它的值确定触发器将有多“慢”。没有它,LED将会熄灭并保持不变。当温度下降约10%时,LED将关闭。如果增加R6的值,则会更快触发,而较低的值会更慢的触发。


R6用作施密特触发器。它的值确定触发器将有多“慢”。没有它,LED将会熄灭并保持不变。当温度下降约10%时,LED将关闭。如果增加R6的值,则会更快触发,而较低的值会更慢的触发。



限压器的校准:那要容易得多。只需给电路提供所需的电压限制,然后转动P3直到LED点亮。确保电流在T1上不是太高,否则会烧毁!


USB连接器:最后就是USB连接器,没有连接适当的充电器的话,许多手机将无法充电。手机通过查看USB电缆中的两条数据线(电压)来确定是否连接充电器。


如果数据线由2V电源供电,则手机“认为”它已连接到计算机,并开始以低功率充电。


例如对于iPhone4s:


低功率下充电电流约为500mA。如果数据线由2.8V供电,它将开始以1A充电,但这对于该电路来说太大了。


为了获得2V,使用了一些电阻器来形成一个分压器:


Vout =(R12 * Vin)/(R12 +R14)=(47 * 5)/(47 + 68)= 2.04。


这通常会在5V以下,还不错。




 对比测试


已经测量了4.8V@500mA(2.4W)的输出,但是无法在该功率下运行更长的时间。iPhone的最佳充电速度为4.25V / 300mA = 1.3W,结果稳定。


但调整电子设备以获得最佳输出有些棘手。如果将电流增加到300mA以上(在低燃气功率下),则由于TEG的输入电压低,升压开始限制电流(电压)。发生这种情况时,充电功率将急剧下降至约0.2W。


必须将USB电压/电流调整为刚好低于该限制,无负载时为4.35V,而在iPhone 4s充电时为4.25V。因此该测试中风扇速度为60-80%是最佳的。


将使用两个AA碱性电池和“煤气炉充电宝”进行了比较。两节电池重46克,可以为iPhone充电,充电率从20%升至36%。完全相同的充电需要花费60克汽油。


这次电池赢得了重量方面的胜利,但是煤气充电宝的结构可以通过许多方式进行优化!结果是如果还要把电池进行垃圾分类处理掉,那么这个煤气充电宝就赢了。


本文编译来自instructables.com,非常多有创意、才华的人分享项目。没有做不到,只有想不到。项目的思路给你们了,有感兴趣的可以一试。


-END-

| 本文来源:达尔闻 | |作者:Joohansson |


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