Виды аккумуляторов и способы их подзарядки

Аннотация

 

В дипломном проекте рассматривается тема: «Проектирование зарядного устройства акумулятора на основе термоэлектрического модуля»

Дипломный проект содержит 62 страницы, 23 рисунка, 6 таблиц

Ключевые слова: разработка зарядного устройства, термоэлектрический модуль, повышающий преобразователь.

Цель дипломного проекта: Разработка зарядного устройства на основе термоэлектрического модуля.

В результате выполнения проекта был подобран и структурирован необходимый материал, разработано зарядное устройство, описан принцип его работы.

 

Введение

 

Современный человек активно использует мобильные устройства для работы и развлечений, однако они перестают работать в случае разрядки аккумулятора. Вдали от линий электропередач зарядка аккумулятора мобильного устройства может оказаться весьма большой трудностью. Поэтому проблема сохранения заряда аккумулятора мобильных и портативных устройств является одной из наиболее острых для большинства пользователей.

Почти каждый не раз сталкивался с подобного рода проблемой, когда из-за разряженной батареи сотового телефона не мог позвонить домой. В связи с этим у меня появился проблемный вопрос: можно ли создать альтернативный источник энергии для зарядки мобильных устройств в походных условиях.

Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Актуальность изучения термоэлектричества обусловлена возможностью обеспечения автономного питания маломощных устройств от любого источника тепла.

Объект исследования: термоэлектричество как физическое явление.

Предмет исследования: термоэлектрический генератор. Цель исследования: осуществить поиск условий, при которых мы добиваемся повышения напряжения на выходе у альтернативного источника. Для достижения этой цели я поставил перед собой следующие задачи: изучить информацию об открытии термоэлектричества и его использовании, изучить природу электрического тока в проводниках и полупроводниках и причины возникновения в них термоэлектричества, создать термоэлектрогенератор, практическим методом определить условия, при которых повышается напряжение у термоэлектрогенератора, сделать выводы по результатам работы. Для достижения цели мною были использованы следующие методы: анализ литературы по основным понятиям термоэлектричества, поиск наиболее оптимальных сочетаний материалов для создания термоэлектрогенератора, полевые исследования, статистические методы обработки информации.

Аналитическая часть

 

Термоэлектрический модуль

 

Элементом Пельтье (см. рисунок 1.8) принято называть преобразователь, который способен работать от разности температур. Происходит это путем протекания электрического тока по проводникам через контакты. Для этого в элементах предусмотрены специальные пластины. Тепло от одной стороны переходит в другую.

На сегодняшний день указанная технология является востребованной в первую очередь из-за значительной мощности теплоотдачи. Дополнительно устройства способны похвастаться компактностью. Радиаторы для многих моделей устанавливаются слабенькие. Связано это с тем, что тепловой поток довольно быстро остывает. В результате нужная температура поддерживается постоянно.

Рисунок 1.8 – Элемент Пельтье

 

Подвижных частей указанный элемент не имеет. Работают устройства абсолютно бесшумно, и это является несомненным преимуществом. Также следует сказать, что эксплуатироваться они способны очень долго, а случаи поломок возникают крайне редко. Самый простой тип состоит из медных проводников с контактами и соединительными проводами. Дополнительно с охлаждающей стороны имеется изолятор. Изготовляют его, как правило, из керамики или нержавеющей стали.

Зачем нужны элементы Пельтье?

Элементы Пельтье чаще всего используются для изготовления холодильников. Обычно речь идет о компактных моделях, которые могут применяться, к примеру, автомобилистами в дороге. Однако на этом область применения устройств не подходит к концу. В последнее время элементы Пельтье активно начали устанавливать в звуковую, а также акустическую технику. Там они способны выполнять функции куллера.

В результате охлаждение усилителя устройства происходит без какого-либо шума. Для портативных компрессоров элементы Пельтье являются незаменимыми. Если говорить о научной отрасли, то ученые применяют данные устройства для охлаждения лазера. При этом можно добиться значительной стабилизации волны изучения у светодиодов.

Недостатки моделей Пельтье

Казалось бы, такое простое и эффективной устройство лишено недостатков, однако они имеются. В первую очередь специалисты сразу отметили малую пробивную способность модуля. Это говорит о том, что у человека возникнут определенные проблемы, если он захочет охладить прибор, который работает от сети с напряжением 400В. В данном случае частично поможет решить эту проблему специальная диэлектрическая паста. Однако пробой тока все равно будет высоким и обмотка элемента Пельтье может не выдержать.

Дополнительно указанные модели не советуют применять для точной электроники. Поскольку в конструкции элемента имеются металлические пластины, то чувствительность транзисторов может нарушаться. Последним недостатком элемента Пельтье можно назвать малый коэффициент полезного действия. Достигнуть значительной разности температур указанные устройства не способны.

Анализ литературы позволил выяснить, что термоэлектричество – преобразование тепла в электричество с помощью термоэлектрогенератора. Первым возможность такого процесса обнаружил немецкий физик Томас Иоганн Зеебек, когда 14 декабря 1820 года на заседании Берлинской академии наук впервые доложил о наблюдении им отклонения магнитной стрелки компаса вблизи замкнутой цепи из двух разнородных металлов, один спай которого нагревался. Суть явления, которое вошло впоследствии в физику под термином «эффект Зеебека», состояла в том, что при замыкании концов цепи, состоящей из двух разнородных металлических материалов, спаи которых находились при разных температурах, магнитная стрелка, помещённая вблизи такой цепи, поворачивалась так же, как и в присутствии магнитного материала.

В замкнутой цепи, составленной из разных материалов (термопаре), места спаев которых находятся при неодинаковых температурах, действует сила, обуславливающая разделение зарядов, получившая название электродвижущей силы (термо- электродвижущая сила ). При этом приходится преодолевать силы притяжения друг к другу положительных и отрицательных зарядов, то есть затрачивать работу (А). Отношение работы по перемещению заряда к величине этого заряда (q) называется напряжением (разностью потенциалов) (U). Для поддержания непрерывного тока необходимо, чтобы в этой цепи работало какое-то устройство, в котором всё время происходят процессы, осуществляющие разделение электрических зарядов и тем самым поддерживающие напряжение в цепи. Это устройство называют источником, или генератором.

Проводник – материал, отлично пропускающий электрический ток. Большинство металлов относятся к проводникам. Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов. В цепи, составленной из произвольного количества металлов, электродвижущая сила. равна нулю (правило Вольта). Однако положение станет совершенно иным, если мы нагреем какое-нибудь из мест соединения. В этом случае в цепи будет протекать электрический ток до тех пор, пока будет существовать разность температур между спаями.

Таким образом, термоэлемент представляет собой тепловой генератор электрического тока, то есть прибор, в котором часть тепловой энергии, нагревающей горячий спай, превращается в электрическую энергию; остальная часть тепла отдаётся холодным спаем в окружающую среду. Однако вследствие большой теплопроводности металлов поток тепла, переходящего путём теплопроводности от горячего спая к холодному, значительно больше, чем доля тепла, превращаемая в электрическую энергию. Кроме того, сопротивление в металлах зависит от геометрических размеров проводника, т.е. от его длины и сечения, равно как от его состава и строения, определяющих частоту столкновений носителей зарядов с окружающими частицами. Сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника. Сопротивление у металлов также увеличивается с повышением температуры, следовательно, электропроводность (способность тела проводить электрический ток) уменьшается. Обусловленные этими причинами КПД термоэлементов из металлических проволок не превышает 0,5%. Потому металлические термоэлементы совершенно непригодны в качестве технических генераторов тока.

Полупроводник – это материал, который занимает промежуточное место между проводниками (веществами, отлично пропускающими электрический ток) и изоляторами (веществами, почти совсем не пропускающими электрический ток). Многие кристаллы, сплавы, всевозможные соли, окислы являются полупроводниками. Исследование практического значения полупроводников принадлежит советским физикам во главе с Героем Социалистического Труда академиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе. Именно ими в 30-е годы прошлого века была заложена основа развития современной термоэлектрической энергетики. В полупроводнике существует два электрических тока (см. рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 – Полупроводник

 

Электронный ток в полупроводнике обусловлен движением свободных отрицательно заряженных электронов, которые слабо связаны с ядрами «своих» атомов и легко отрываются с внешней электронной оболочки. Это электронная проводимость. Место, откуда оторвался электрон, называют «дыркой». Дырку немедленно занимает электрон от соседнего атома. Так электроны, не освободившиеся совсем, перескакивают с атома на атом, перемещаясь туда, куда их влечёт электрическое поле. А нарушенная связь между атомами (дырка) тем временем перемещается назад. Вместе с дыркой передаётся положительный заряд. Это дырочная проводимость. Таким образом, в полупроводнике, кроме отрицательно заряженных частичек – свободных электронов, носителями тока служат и положительно заряженные дырки. Они вместе определяют электропроводность полупроводника. Однако, свободные электроны несколько подвижнее дырок. Поэтому электронный ток здесь преобладает – он немного сильнее дырочного. Однако такая электропроводность характерна только для чистых полупроводников.

При введении в полупроводник примесей возникает примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно менять и число носителей заряда того или иного знака, то есть создавать полупроводники с преимущественной концентрацией отрицательного или положительного заряда (см. рисунок 1.10). Примесные проводники n-типа обладают электронной проводимостью. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки. Примесные полупроводники p-типа обладают дырочной проводимостью. Основными носителями заряда являются дырки, а неосновными – электроны.

Рисунок 1.10 – Типы полупроводников

С появлением полупроводниковых материалов и технологий учёные вспомнили о возможности превращать тепло в электричество. Если из электронного и дырочного полупроводника сделать термопару и спаянные концы нагреть, а свободные охладить, то в нагретом конце электронного полупроводника появляются освобождённые нагреванием электроны. Они начинают сталкиваться между собой, разлетаться в разные стороны. И при этом многие перекочуют в холодный конец – туда, где свободнее, меньше «толкотни». Но электроны – отрицательно заряженные частички. Стало быть, как только в холодном конце появится их избыток, там возникает отрицательный электрический заряд. В горячем конце дырочного полупроводника возникают дырки. Они также перемещаются в холодный конец. Так как дырка ведёт себя подобно частице, наделённой положительным электрическим зарядом, то холодный конец приобретает положительный заряд. Проводимость полупроводников при повышении температуры растёт и при наличии разности температур между такими спаями возникают электродвижущие силы, которые в десятки раз превышают электродвижущая сила чисто металлических термоэлементов.

Так как величина термо–электродвижущая сила, развивающаяся в отдельном термоэлементе, очень мала, то для получения более значительных электродвижущих сил, отдельные термоэлементы часто соединяют в термобатареи (термоэлектрические модули). Электродвижущая сила батареи из n элементов в n раз больше, чем у одного термоэлемента.

Термоэлектрогенератор представляет собой совокупность термопар, электрически соединённых, как правило, последовательно. В стандартном элементе термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия количество термопар может изменяться в широких пределах – от единиц до сотен пар, что позволяет создавать термоэлектрогенератор практически любой мощности.

Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Термоэлектрогенератор используются для энергоснабжения объектов, удалённых от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии. Термоэлектрогенератор незаменим для энергообеспечения космических аппаратов, питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем, а также для обеспечения автономным питанием маломощных электронных устройств.

С помощью термоэлектрогенератора возможно преобразование в электрическую энергию тепла природных источников (например, геотермальных вод), тепла отводимых от автомобильных, корабельных и других двигателей. Всюду, где есть тепло, термоэлектрогенератор легко превратит значительную его долю в самый удобный вид энергии – электрическую. Термоэлектрогенератор обладают такими уникальными качествами как полная автономность, высокая надёжность, простота эксплуатации, бесшумность, долговечность и экологическая чистота.

 

DC-DC преобразователь

 

Преобразователь напряжения – это электронный прибор, который нужен для изменения величины входного напряжения устройства. Преобразователь напряжения может понижать или повышать входное напряжение, а также частоту и величину первоначального напряжения.

Преобразователи бывают AC-DC, DC-AC, DC-DC, AC-AC, где AC – напряжение переменной величины, DC – напряжение постоянной величины. О каждом из них мы подробно поговорим в других статьях. В основном встречаются повышающие DC-AC преобразователи напряжения. Такие преобразователи предназначены для повышения повышение напряжения постоянного источника питания (например аккумуляторная батарея) в иную – переменную величину, в основном встречаются преобразователи 12 вольт – 220 вольт.

Принцип работы простой – состоит из задающего генератора (обеспечивает нужную частоту) усилительного каскада который усиливает напряжения и сам трансформатор напряжения который поднимает начальное напряжение до нужной величины. Как известно, постоянный ток не способен трансформироваться, для того, чтобы трансформировать постоянное напряжение, нужно превратить его в переменное 9 часто под большей частотой, именно для этого используют задающий генератор или генератор импульсов, с которого все и начинается. Импульсы, усиливаются парами полевиков и в первичной обмотке трансформатора, образуется переменное напряжение определенной частоты.

Частота играет важную роль в преобразователе напряжения, от частоты например зависит количество витков во вторичной обмотке (вторичной обмоткой называют ту обмотку, из которой уже выходит трансформированное напряжение). От количество витков зависит выходное напряжение, чем больше витков, тем больше будет и напряжение. Ток (мощность) количества на которую рассчитан преобразователь напряжение зависит от каскадов усиления и от диаметра провода которым намотаны обмотки (больший диаметр обеспечивает большую выходную мощность).

Преобразователи напряжения незаменимый источник автономного питания, если вы в походе, на даче или просто выехали с друзьями на природу и скажем нужно зарядить телефон или включить телевизор или магнитофон с сетевым питанием, тогда вам нужен преобразователь напряжения. Кроме того, есть также преобразователи постоянного напряжения в постоянное другой величины. Например, преобразователь при помощи которого можно зарядить мобильный телефон от одной пальчиковой батарейки или скажем, питать светодиод от низковольтного источника напряжения.

 

Выводы:

В первом разделе (Аналитическая часть) были приобретены теоритические знания о видах аккумуляторных батарей, о способах их подзарядки, о том как продлить их срок службы. Также был рассмотрен термоэлектрический модуль (ТЭМ) – теперь я знаю как он построен, области его применения, как с помощью него (ТЭМ) можно зарядить свой телефон при помощи источника и преобразователя напряжения.

Конструкторская часть

 

2.1 Структурная схема преобразователя напряжения

 

Инвертор – устройство для преобразования постоянного тока (например 12 В) в переменный ток (например 220 В) с изменением величины напряжения или без. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближенного к синусоиде. Причем получить на выходе можно, теоретически, любой ток, с любыми необходимыми параметрами. Ток, получаемый на выходе, не зависит от входящего – инверторы позволяют получать не статичные параметры тока на выходе, а регулировать его от нуля до максимума, любой частоты и любого напряжения. Источниками постоянного тока 12 вольт, как правило, являются аккумуляторные батареи (АКБ).

Существуют три режима работы инвертора:

- режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертора.

- режим перегрузки. В данном режиме большинство моделей инверторов в течение нескольких десятков минут (до 30) могут отдавать мощность в 1,2-1,5 раза больше номинальной.

- режим пусковой. В данном режиме инвертор способен отдавать повышенную моментальную мощность в течение нескольких миллисекунд, для обеспечения запуска электродвигателей и емкостных нагрузок.

В течение нескольких секунд большинство моделей инверторов могут отдавать мощность, в 1,5-2 раза превышающую номинальную. Сильная кратковременная перегрузка возникает, например, при включении холодильника.

 

 

Термофор Индигирка-2

 

Электрогенерация

Во время работы печи два встроенных термоэлектрогенератора нагреваются и вырабатывают постоянный ток напряжением 12В и общей максимальной мощностью 60 Вт (см. рисунок 2.3). Электрогенератор печи выходит на стабильный режим через 10–15 минут после розжига топлива в печи.

 

Рисунок 2.3 – Термофор Индигирка-2

 

 

Современные материалы:

Печь изготовлена из жаростойкой высоколегированной стали, толщиной 2мм и содержанием хрома не менее 11%. Благодаря этому стенки печи быстро раскаляются и так же быстро начинают прогревать воздух отапливаемого помещения. Применение этого материала позволило значительно уменьшить массу печи. Элементы, не несущие термическую нагрузку, выполнены из конструкционной стали толщиной 1,5мм.

Источник тепла и энергии:

Печь предназначена для рыбаков, охотников, туристов, дачников. Индигирка-2 незаменима для структур, работающих в сфере строительства и обслуживания различных удаленных коммуникаций (автомобильных и железнодорожных магистралей, трубопроводов, вышек сотовой связи), занимающихся геологоразведочными работами, для сотрудников силовых и спасательных ведомств. А также представителей кочевых народов и народов севера, не имеющих доступа к стационарным источникам электроэнергии. Характеристики Индигирки предоставлены в таблице 2.1

Таблица 2.1 – Характеристики Индигирки

Характеристики
Материал	Жаростойкая сталь
Суммарная площадь поверхностей нагрева	0,6 м²
Вес	37 кг
Объем топки	41 л
Диаметр дымохода	63 мм
Минимальная высота дымохода	0,28 м
Объем отапливаемого помещения	до 50 м³
Тепловая мощность	4 кВт
Выходное напряжение	12 В
Выходная электрическая мощность	60 Вт

 

Выводы:

В данном разделе дипломного проекта были рассмотрены термоэлектрогенераторы производимые и поставляемые с заводов производителей. В ходе сбора необходимой информации для написания данного дипломного проекта, я узнал о том что существуют различные термоэлектрогенераторы, которые существенно «облегчают» жизнь человека. Все имеющиеся на данный момент ТЭГ использующие эффект Зебека имеют относительно высокую цену.

 

Технологическая часть

 

Рисунок 3.2 – Габариты TEC1-12706

Рекомендации по использования для данного модуля:

- максимально допустимая температура 138 °C.

- недопустимо превышение значения параметров Imax и Umax.

- срок службы 200 000 часов.

Рисунок 3.4 – USB выход

Строение преобразователя (см. рисунок 3.2.3):

- USB выход

- разъемы на микросхеме «+» и «-» куда подключается питание

- а также небольшой светодиод, который сигнализирует о работе платы.

Рисунок 3.5 – Основные компоненты преобразователя

Принцип работы

Дело в том что современный сотовый телефон (как правило смартфон), подзаряжается только от тока в 5В, током желательно от 100 mA, максимум 1,2 A – однако например пальчиковая батарея (или аккумулятор типа AA) выдает всего 1.5В то есть зарядить на прямую вы не сможете (даже если каким то образом подсоедините просто угробите телефон).

Однако если подсоединить батарейку к повышающему стабилизатору, то он автоматически поднимет напряжение до 5В и телефон начнет заряжаться, хотя батарейка проработает недолго, но немного зарядит ваш телефон.

Рисунок 3.6 – Преобразователь с подключенным кабелем

Рисунок 3.7 – Подключенный к преобразователю телефон

 

Выбор термопасты

 

Из курса школьной физики можно припомнить информацию о теплопроводности. Есть материалы, которые не проводят тепло, есть те, что частично проводят, и те, что полностью передают температуру. Например, изолирующая лента имеет минимальную теплопроводность, благодаря чему ею обматывают оголенные участки провода, чтобы не допустить возгорания. Компьютерная паста, наоборот, играет роль проводника тепла, благодаря однородности массы и высокой теплопроводности, и способна передать выделяемое тепло от процессора системе охлаждения.

Любой магазин, который занимается продажей компьютерных комплектующих. Тара имеет вид тюбика или чаще шприца 2 – 5 мл. В продаже не очень много разновидностей термопасты или термоклея. Причём отечественные марки ничуть не хуже иностранных представителей. На рынке лично я покупаю КТП-8 (см. рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 – КПТ-8

 

Порядок применения. Самый первый совет – не нужно выдавливать половину содержимого тюбика на охлаждаемую поверхность. Принцип «чем больше, тем лучше» здесь не работает. Большое количество термопасты при прижимании радиатором растечётся далеко за края процессора, создав дополнительные проблемы с отводом тепла от ЦП. Если термопаста наносится на другую поверхность, толстый её слой не будет выполнять функций теплоотвода. В начале статьи я подчеркнул её основное назначение – исключить воздушный слой, заполняя собой капли воздуха.

Как правильно наносить термопасту?

Протрите процессор сухой тряпочкой. Остатки старой термопасты с процессора снимаются ногтем или тонкой деревянной\пластмассовой скребочкой или чем-нибудь наподобие того (банковская карта подойдёт). С радиатора это можно сделать и растворителем, после чего тщательно протереть или просушить (см. рисунок 3.9). Вода обычно в этих случаях не помогает: термопаста не боится воды, а высохшая термопаста вообще напоминает холодную сварку, знакомую автолюбителям и слесарям.

Рисунок 3.9 – Процессор и радиатор

 

Попробуйте закрепить радиатор с кулером без термопасты. Потренируйтесь, чтобы с пастой можно было закрепить радиатор раз и навсегда.

На процессор нанесите немного термопасты размером с небольшую горошину. Расположите её примерно по центру. Для наглядности процессор уже в сокете (см. рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 – Процессор

Вращая кистью радиатор вправо-влево чуть заметными движениями (как бы втирая), прижмите его к процессору и закрепите защёлками. Термопаста не должна вытечь, а радиатор должен плотно прижаться к процессору. А защёлки потом закрепят радиатор и доведут дело до конца.

 

Заключение

Актуальность данной работы обусловлена тем, что мы живём в эпоху электричества. Трудно представить какую-либо отрасль деятельности человека, куда бы ни проникли технологии, энергетическое обеспечение которых осуществляется с помощью электрической энергии. Расширение сфер применения электричества заставляет человечество искать новые источники электроэнергии. Одним из перспективных направлений развития альтернативных источников электрической энергии является разработка и производство термоэлектрических источников энергии, основанных на эффекте Зеебека.

В ходе теоретической части работы я выяснил, что лежит в основе преобразования тепловой энергии в электрическую, какие элементы и почему лучше использовать для изготовления термопар, как изменяется напряжение при последовательном соединении термопар и при различных значениях температур горячих и холодных концов.

Наличие в продаже компактных ТЭМ позволило мне собрать термоэлектрогенератор. Готовый генератор получился недорогим, достаточно компактным, эффективным и простым в использовании. С его помощью можно сгенерировать напряжение необходимое для подзарядки мобильного телефона. Он незаменим для питания маломощных потребителей энергии – радиоприёмников, фонариков, сотовых телефонов в глухих, труднодоступных неэлектрифицированных местах. По сравнению с другими альтернативными источниками энергии он наиболее пригоден в походных условиях, так как не требует солнца, ветра, физических затрат. Он позволяет получить электричество из любого источника тепла.

Список использованной литературы

 

1. Бадагуев, Б.Т. Экологическая безопасность предприятия: Приказы, акты, инструкции, журналы, положения, планы / Б.Т. Бадагуев. - М.: Альфа-Пресс, 2012. - 568 c.

2. Билибин К.И., Шахнов В.А. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учеб. для техн. вузов. Изд. 2, перераб. и доп. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013, - 568с.

3. Бойков В.И. Схемотехника электронных систем. Микропроцессоры и микроконтроллеры. – СПб.: БХВ-Петербург, 2014.- 464с.: ил.

4. Бойко. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства. – СПб.: БХВ-Петербург, 2011-512с.: ил.

Аннотация

 

В дипломном проекте рассматривается тема: «Проектирование зарядного устройства акумулятора на основе термоэлектрического модуля»

Дипломный проект содержит 62 страницы, 23 рисунка, 6 таблиц

Ключевые слова: разработка зарядного устройства, термоэлектрический модуль, повышающий преобразователь.

Цель дипломного проекта: Разработка зарядного устройства на основе термоэлектрического модуля.

В результате выполнения проекта был подобран и структурирован необходимый материал, разработано зарядное устройство, описан принцип его работы.

 

Введение

 

Современный человек активно использует мобильные устройства для работы и развлечений, однако они перестают работать в случае разрядки аккумулятора. Вдали от линий электропередач зарядка аккумулятора мобильного устройства может оказаться весьма большой трудностью. Поэтому проблема сохранения заряда аккумулятора мобильных и портативных устройств является одной из наиболее острых для большинства пользователей.

Почти каждый не раз сталкивался с подобного рода проблемой, когда из-за разряженной батареи сотового телефона не мог позвонить домой. В связи с этим у меня появился проблемный вопрос: можно ли создать альтернативный источник энергии для зарядки мобильных устройств в походных условиях.

Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Актуальность изучения термоэлектричества обусловлена возможностью обеспечения автономного питания маломощных устройств от любого источника тепла.

Объект исследования: термоэлектричество как физическое явление.

Предмет исследования: термоэлектрический генератор. Цель исследования: осуществить поиск условий, при которых мы добиваемся повышения напряжения на выходе у альтернативного источника. Для достижения этой цели я поставил перед собой следующие задачи: изучить информацию об открытии термоэлектричества и его использовании, изучить природу электрического тока в проводниках и полупроводниках и причины возникновения в них термоэлектричества, создать термоэлектрогенератор, практическим методом определить условия, при которых повышается напряжение у термоэлектрогенератора, сделать выводы по результатам работы. Для достижения цели мною были использованы следующие методы: анализ литературы по основным понятиям термоэлектричества, поиск наиболее оптимальных сочетаний материалов для создания термоэлектрогенератора, полевые исследования, статистические методы обработки информации.

Аналитическая часть

 

Виды аккумуляторов и способы их подзарядки

 

Электрический аккумулятор – источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования, а также для обеспечения резервных источников энергии в медицине, производстве и в других сферах

Значение и употребление слова

Термин "аккумулятор" используется для обозначения:

- отдельного элемента: например аккумулятор, аккумуляторная банка, аккумуляторная ячейка

- нескольких отдельных элементов, соединённых последовательно (для увеличения напряжения) или параллельно (для увеличения силы тока) друг с другом: например аккумуляторная батарея

Принцип действия

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Несколько аккумуляторов, объединённых в одну электрическую цепь, составляют аккумуляторную батарею.

Свинцово-кислотный аккумулятор

Принцип работы свинцово-кислотных аккумуляторов основан на электрохимических реакциях свинца и диоксида свинца в среде серной кислоты (см. рисунок 1.1.). Химическая реакция (слева направо – разряд, справа налево – заряд):

Рисунок 1.1 – Свинцово-кислотный аккумулятор

 

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор (см. рисунок 1.2) состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделенных пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решетку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC₆, окислы (LiMO₂) и соли (LiMRON) металлов.

Рисунок 1.2 – Литий-ионный аккумулятор

 

Литий-полимерный аккумулятор

В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя. Используется в мобильных телефонах, цифровой технике и пр.

Современные разработки в области технологий на основе лития привели к появлению Li-Pol-аккумуляторов в сверхкомпактных корпусах (толщиной менее 4 мм) с упрощенным монтажом кристалла в корпусе (высокое напряжение на клеммах элемента позволяет делать портативные источники питания только с одной ячейкой). Относительно низкое внутреннее сопротивление одноэлементных батарей с комбинированным электролитом позволяет отдавать высокий ток в течение коротких импульсов нагрузки.

В чем же заключаются основные различия между классическим Li-Ion-аккумулятором и Li-Ion-Pol, который сегодня «ошибочно» называют Li-Polymer. Хотя характеристики и эксплуатационные показатели этих двух систем очень похожи, Li-Ion-Pol не имеет пористого сепаратора, который вызывал постепенную деградацию батарей. Гелевый электролит здесь просто добавлен для расширения ионной проводимости.

Однако вследствие технических трудностей при производстве, достоинства новых батарей не могут проявиться в полной мере, и обещанное превосходство литий-ионных полимеров еще не до конца реализовано. Фактически, энергоемкость новых батарей немного ниже обычных Li-Ion, а цена – выше. Главная причина для перехода к полимерным технологиям пока одна – уменьшение размеров батарей (см. рисунок 1.3).

Таким образом, основная область применения Li-Pol батарей сегодня – это мобильные телефоны, где повышение безопасности, уменьшение размеров и веса устройств являются весьма существенным стимулом для выбора именно этой технологии.

Рисунок 1.3 – Литий-полимерный аккумулятор

 

Алюмини-ионный аккумулятор

Алюминий-ионный аккумулятор состоит из металлического алюминиевого анода, катода из графита в виде пены и жидкого ионного невоспламеняющегося электролита. Батарея работает через электрохимическое осаждение и растворение алюминия на аноде, и интеркаляцию/деинтеркаляцию анионов хлоралалюмината в графит, используя ионный жидкий электролит. Количество возможных перезарядок батареи – более 7,5 тыс. циклов без потери мощности. Время перезарядки – 1 минута (см. рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 –Алюминий-ионный аккумулятор

 

Характеристики аккумуляторов:

Ёмкость аккумулятора

Максимально возможный полезный заряд аккумулятора называется зарядной ёмкостью, или прост