Как мы превращали тепло в электричество (особенности применения термогенераторов)

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2020

Александр Русу (г. Одесса, Украина), Кирилл Ильченко (г. Киев, Украина)

Вопросы получения бесплатной энергии не давали покоя человеку еще с незапамятных времен, а после череды промышленных революций, когда энергия по своей значимости стала эквивалентна воде и продуктам питания, актуальность этого вопроса лишь возросла. Но если вечный двигатель, как утверждают физики, сконструировать невозможно, то извлечь энергию из окружающей среды вполне реально не только теоретически, но и практически.

На сегодняшний день существует ряд проектов, позволяющих преобразовать в электричество свет, звук, вибрацию, трение, температуру, колебания температуры, электромагнитные волны, а также ряд других низкопотенциальных энергетических источников. К сожалению, эти решения имеют два ключевых недостатка: энергии они дают мало, и она дорогая. Если посчитать стоимость киловатт-часа, полученного с помощью этих систем, а большинство из них такое количество энергии не сгенерирует даже за весь срок своей службы, то она выйдет в лучшем случае на порядок дороже, чем самое дорогое электричество, получаемое из традиционных источников. Это значит, что системы сбора энергии окружающей среды (Energy Harvesters) пока еще остаются всего лишь забавой для небольшого количества фанатов этого направления, либо не понимающих до конца сути законов природы, либо имеющих много свободного времени и средств для подобных экспериментов.

Только время не стоит на месте, и двадцать первый век уже подарил множество новых направлений в радиоэлектронике, анализируя которые можно выделить две устойчивые тенденции. Во-первых, если есть хоть малейшая техническая возможность, то устройства стараются делать беспроводными. Во-вторых, энергопотребление современных приборов, даже передающих информацию с помощью «прожорливых» радиоинтерфейсов, катастрофически уменьшается. Уже сейчас большинство беспроводных датчиков для охранных систем, работающих в реальном времени, способно проработать без замены батареи не меньше года, а компании, наиболее продвинутые в этом направлении, например, Ajax Systems [1], утверждают, что их оборудование может до семи лет работать от единственного химического источника тока. И это далеко не предел, ведь в правильно спроектированном устройстве количества энергии в современных литиевых батареях может хватить на 15 лет непрерывной работы [2].

Однако у традиционных химических источников тока есть множество недостатков, главным из которых является ограниченная (или конечная) емкость – рано или поздно полезные химические процессы в источнике прекратятся, и его придется менять. Да и забрать от него расчетное количество энергии не всегда получается. Так, например, при проектировании оборудования, рассчитанного на работу от литиевых батареек, необходимо учитывать эффект пассивации электродов, иначе оно начнет сбоить уже через несколько лет работы [2]. А если произойдет нарушение условий эксплуатации химического элемента, и он подвергнется воздействию аномально высоких или низких значений температур или влажности, то предвидеть дальнейшее поведение системы будет уже крайне сложно.

Только к чему поднимать из-за этого панику, ведь все неприятности в конечном итоге сводятся к простой замене батареек, которые никогда не были особо дорогими? Однако практика показывает, что там, где нет возможности установить электрическую розетку, чаще всего не так просто добраться и до батарейки. Например, компоненты систем мониторинга окружающей среды – датчики температуры, давления, влажности, концентрации углекислого газа и прочих вредных веществ – могут устанавливаться далеко не в самых легкодоступных местах, например, на крышах зданий или верхушках дымовых труб. Это же справедливо и для элементов систем безопасности – датчиков дыма, вибрации, движения, присутствия или открытия двери, например, чердачного люка. Еще сложнее ситуация с измерителями смещения различных инженерных конструкций, например, стен зданий или опор мостов, куда, скорее всего, придется добираться на спецтехнике, например, на моторных лодках. Вот и получается, что в подобных системах стоимость замены батарейки может намного превышать стоимость самой батарейки. Да и в относительно простых, но масштабных, системах для замены, например, 1000 батареек в 1000 датчиков уже необходим небольшой коллектив специально обученных людей под началом главного бухгалтера, которые только и будут этим заниматься. А если добавить сюда еще и экологическую небезопасность всех химических источников тока, то станет понятно, что системы сбора энергии зря подверглись незаслуженному забвению и порицанию.

В этой статье описан опыт изготовления системы сбора энергии окружающей среды на основе термогенератора, превращающего в электричество перепады температур. Источником вдохновения для этой работы послужил проект теплового резонатора (Рисунок 1), созданного командой ученых и студентов из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology – MIT) [3]. Прочитав о достижениях этого коллектива, было решено, что ученые и студенты Одесской национальной академии связи им. А.С. Попова тоже могут внести посильный вклад в изучение этого процесса, а магистерская выпускная работа Кирилла Ильченко – соавтора этой статьи – может стать хорошим предлогом для этого исследования.

Рисунок 1.	Метеостанция с тепловым резонатором, разработанная коллективом из MIT [3].

Первоначально было решено исследовать классический термогенератор на основе элемента Зеебека, позволяющий превратить в электричество перепады температур. Такое решение было принято по двум причинам. Во-первых, на повторение теплового резонатора могло потребоваться достаточно большое количество времени, которого было не так много, а, во-вторых, все-таки информации о подобных системах, а особенно об их практическом применении, крайне мало, а эти пробелы надо восполнить.

Первым удивлением при выборе термогенератора стало практически полное отсутствие в широкой продаже элементов Зеебека. Поисковые системы по данному запросу выдавали только один результат – модуль SP1848-27145 с размерами 40 мм × 40 мм × 4 мм, выходным напряжением 4.8 B и максимальной мощностью 3.21 Вт, достигаемой при разности температур между горячей и холодной стороной 100 °C (Таблица 1). Очевидно, что для системы сбора энергии найти среду с подобной разностью температур практически нереально, но даже при 20 °C, выходная мощность модуля SP1848-27145 (0.22 Вт) намного превышает среднюю потребляемую мощность многих беспроводных датчиков. Например, этой мощности вполне достаточно для питания беспроводного инфракрасного датчика присутствия, реализованного компанией Texas Instruments в проекте TIDA-00489 [4], с током потребления в дежурном режиме всего 1.65 мкА при напряжении питания 3 В.

Таблица 1.	Характеристики элемента Зеебека SP1848-27145
Разница температур, °С Выходное напряжение, В Выходной ток, мА Выходная мощность, Вт 20 0.97 225 0.22 40 1.8 368 0.66 60 2.4 469 1.13 80 3.6 558 2.01 100 4.8 669 3.21

Тем не менее, приобрести единственный широко известный модуль Зеебека, к сожалению, нам не удалось. Большинство поставщиков, к которым мы обращались, даже несмотря на то, что на их сайтах указано, что эти элементы есть в наличии, по факту могли продать их только под заказ (то есть, их «не возят, потому что никто не берет»). А некоторые в качестве «почти равноценной» замены вместо модулей Зеебека предлагали модули Пельтье аналогичного размера, мотивируя обратимостью этих эффектов, а также тем, что последние будут намного «мощнее».

Действительно, эффект Зеебека (возникновение ЭДС при наличии разности температур) является обратным эффекту Пельтье (возникновению разности температур при протекании электрического тока), однако к самим элементам это не относится, поскольку модули Зеебека и модули Пельтье при одинаковой конструкции имеют разное практическое назначение.

Элементы Пельтье предназначены для перемещения тепла; они применяются в различных системах терморегулирования, например, в системах охлаждения, поэтому их внутреннее сопротивление невелико, а мощность может достигать сотен ватт. Судя по наличию выбора и доступности, элементы Пельтье весьма востребованы на рынке, в то время как элементы Зеебека, имеющие гораздо меньшую мощность и высокое внутреннее сопротивление, пока никому не нужны. Тем не менее, в системах сбора энергии при прочих равных условиях именно элементы Зеебека должны дать большее напряжение, а значит – эту энергию будет проще собрать и передать в нагрузку.

Рисунок 2.	Модуль Пельтье TEC1-12706.

К сожалению, по разным причинам проверить это на практике не удалось (зато есть задача на будущее). Вместо элемента Зеебека был приобретен элемент Пельтье TEC1-12706 (Рисунок 2) с аналогичными размерами 40 мм × 40 мм × 4 мм, но достаточно сильно отличающимися электрическими характеристиками (Таблица 2).

Таблица 2.	Характеристики элемента Пельтье TEC1-12706
Максимальная разница температур 68 °С Максимально допустимый ток 8.4 А Максимально допустимое напряжение 15.4 В Размеры 40 мм × 40 мм × 4.0 мм Внутреннее сопротивление 1.5 Ом Максимальная рабочая температура 138 °С Размеры термопары 1 мм × 0.7 мм × 2.2 мм Количество термопар 127

Главным огорчением от использования этого модуля стало почти в пять раз меньшее выходное напряжение, которое при разности температур 10 °С составило всего 0.2 В (Таблица 3). Здесь нужно сразу уточнить, что никто изначально не ставил целью эксплуатацию системы сбора энергии в каких-то экстремальных условиях, то есть никто не собирался один бок элемента Пельтье жарить на медленном огне какого-нибудь газового котла, а второй засовывать в морозильную камеру. Основным вопросом было: можно ли в реальных условиях окружающей среды (на улице или в помещении) с помощью данного элемента извлечь энергию в количестве, достаточном для практического применения, например, для питания устройств, описанных в [1] или [4]. То есть, 10 °С – это максимальная разность температур, которая может оказаться доступной в реальных помещениях или на улице.

Таблица 3.	Зависимость выходного напряжения от разности температур модуля TEC1-12706
Разность температур, °С Выходное напряжение, В 10 0.2 15 0.3 25 0.4 30 0.5 36 0.6 42 0.8 47 0.9 55 1.2 58 1.3 65 1.5

Также изначально стало понятно, что без специализированного преобразователя напряжения не обойтись, поскольку даже в лучшем случае напряжение на выходе модуля Зеебека не превышало бы 1.0 В, что явно недостаточно для питания современного оборудования.

После анализа доступных специализированных микросхем было принято решение о выборе микросхемы LTC3108 производства Linear Technology, не так давно ставшей частью Analog Devices. Во-первых, эта микросхема специально разработана для таких задач, в ней интегрированы все необходимые узлы, и для ее работы необходим минимум внешний компонентов (Рисунок 3). Во-вторых, эта микросхема хорошо освещена в технической литературе. С момента появления ее на рынке (в конце 2010 года) уже вышло достаточно много публикаций, в том числе и в журнале РадиоЛоцман [5], где были подробно освещены все особенности ее работы. Кроме того, можно приобрести оценочную плату CJMCU-3108 с уже установленными внешними компонентами (Рисунок 4), что в рамках данной работы также является достаточно весомым аргументом.

Рисунок 3.	Структурная схема микросхемы LTC3108.

И здесь снова ждал неприятный сюрприз – у всех местных поставщиков электронных компонентов плату CJMCU-3108 можно было приобрести только под заказ, что означало, что кроме нас она, похоже, никому не нужна. Вторым неприятным сюрпризом, который из-за нашей невнимательности возник уже после распаковки платы, оказалось отсутствие на плате ключевого компонента – трансформатора Т1. С одной стороны, производителей платы CJMCU-3108 можно понять – они оставляют пользователям выбор, ведь теперь они могут поставить на плату элемент с коэффициентом трансформации 1:20, 1:50 или 1:100, в зависимости от конкретного приложения. С другой стороны, выбора особо нет, ведь количество производителей трансформаторов, которые можно установить на эту плату всего два: Coilcraft (LPR6235) и Würth Elektronik (74488540ххх), а стоимость такого трансформатора из-за его ультракомпактности в два раза больше стоимости платы. Все это создает ощущение некоторого лукавства со стороны производителей платы CJMCU-3108, хотя доказательств этому у нас, конечно же, нет, ведь все делается только с благими намерениями. К тому же, если большинство местных поставщиков электроники про плату CJMCU-3108 хотя бы слышали, то трансформаторы LPR6235 и 74488540ххх для них оказались полной неожиданностью.

Рисунок 4.	Оценочная плата CJMCU-3108.

В конечном итоге, плата CJMCU-3108 и трансформатор LPR6235-752SMR с коэффициентом трансформации 1:100 были благополучно заказаны и доставлены из Китая, а система смонтирована и протестирована (Рисунок 5). Тестирование проводилось классическим для подобных систем способом: термогенератор устанавливался между двух источников с разными температурами, к выходу системы сбора энергии в качестве нагрузки подключался переменный резистор. Выходные напряжение и ток контролировались соответствующими измерительными приборами, а температура – бесконтактным термометром (пирометром).

Рисунок 5.	Внешний вид и схема системы сбора энергии.

Результаты тестирования показали, что микросхема LTC3108 отлично справляется с поставленной задачей и поддерживает выходное напряжение выше 4 В при разности температур, начиная от нескольких градусов. Но это и не должно было стать большим открытием, ведь, согласно технической документации, минимальное напряжение на входе LTC3108 должно быть больше 20 мВ. В конечном итоге, подобная система должна обеспечить нагрузку напряжением в районе 3 В и выходной мощностью хотя бы 0.5 мВт. Как видно из результатов тестирования (Таблица 4), это происходит при разности температур, начиная от 30 °C. При меньшем температурном напоре в системе необходимо установливать накопитель энергии – аккумулятор или ионистор, поскольку 260 мкВт (при 20 °С) хватит для поддержания работы беспроводных датчиков в спящем режиме, но при переходе нагрузки в активный режим с передачей данных по радиоинтерфейсу этой мощности, скорее всего, будет недостаточно.

Таблица 4.	Максимальная выходная мощность системы при разных перепадах температур
Разность температур, °С Максимальная выходная мощность, мВт 20 0.26 30 1.2 40 1.6 50 1.7 70 2.0

Гораздо более интересным вопросом является, где взять необходимый тепловой напор? Первым экспериментом стала установка термогенератора на радиатор отопления (Рисунок 6). При такой конфигурации система, где в качестве нагрузки и индикатора использовался светодиод, работала около получаса, после чего генерация энергии останавливалась. Это было связано с перегревом радиатора на охлаждающей стороне, в качестве которого был использован стандартный радиатор для процессоров персональных компьютеров. Такой результат был вполне предсказуем, поскольку рассчитанный на принудительное охлаждение радиатор изначально должен плохо работать в условиях естественного обдува, да и его тепловое сопротивление было бы неплохо вначале рассчитать.

Рисунок 6.	Установка системы на радиаторе отопления.

Тем не менее, несмотря на явный крах этого явно непродуманного до конца эксперимента, у подобного способа применения есть реальные практические перспективы, ведь при нормальном охлаждении внешней стороны термогенератора такая система может обеспечить энергией, например, терморегуляторы (термостаты) радиаторов отопления (Рисунок 7). Поскольку на сегодняшний день одним из главных направлений развития техники является интеллектуализация всего, то неудивительно, что современные терморегуляторы имеют программное управление и могут интегрироваться в систему «Умный дом». В конечном итоге, их использование, за счет внедрения гибких профилей температур и учета погоды, позволит уменьшить затраты на отопление, а это значит, что такие устройства очень скоро перестанут быть диковинкой, превратившись в объективную реальность.

Рисунок 7.	Радиаторный термостат с программным управлением.

В этом случае в ближайшем будущем вполне вероятно появление «умной радиаторной секции» с интегрированными терморегулятором и подсистемой питания на основе термопреобразователя Зеебека. Работать она будет только в отопительный сезон (а больше и не надо), настраиваться со смартфона через радиоинтерфейс (мощности питания хватит), и, самое главное, не будет требовать ни батареек, ни аккумуляторов. Сейчас терморегуляторы работают от батареек, которых хватает приблизительно на год, причем, когда система отопления останавливается, их тоже нужно выключать. И теперь представьте себе общее количество терморегуляторов (в идеале – по одному на каждый радиатор), например, в помещении бизнес-центра, требующее ежегодного обслуживания только из-за того, что они работают от батареек.

Еще одним источником перепада температур могут стать относительно прохладные конструкционные элементы зданий: стекла окон, металлические колонны, двери или балки, а также места, где присутствуют постоянные или периодические потоки воздуха (сквозняки). Именно в таком месте и был сделан следующий шаг по изучению возможностей системы. В этом эксперименте холодная сторона термогенератора была установлена на металлической колонне одного из складов почтового отделения Новой почты (одного из крупнейших операторов почтовой связи Украины), а радиатор второй стороны (все тот же – от процессора персонального компьютера) обдувался теплым воздухом сквозняка, постоянно возникающего в процессе работы из-за открытия дверей.

Результаты тестирования показали, что в процессе рабочего дня выходная мощность практически не опускалась ниже 800 мкВт (Рисунок 8). А это означает, что в этом месте можно смело устанавливать центр почти вечного питания одного, а может и нескольких беспроводных датчиков, например, контроля качества воздуха, обнаружения вредных веществ, пожарную или охранную сигнализацию или другие подобные устройства.

Рисунок 8.	Выходная мощность системы в течение рабочего дня.