Разработка блока питания на основе термогенераторного модуля

---

Страницы:   1   2

---

Содержание

• Введение
• Раздел 1. Основные принципы работы ТЭГ
• 1.1 Термоэлектрический эффект
• 1.2 Термоэлектрические модули
• 1.2.1 Принцип работы термоэлектрического модуля
• 1.2.2 Применение термоэлектрическсих модулей на основе элементов Пельтье
• 1.2.3 Виды термоэлектрических модулей
• 1.2.4 Особенности применения ТГМ
• 1.2.5. Установка термогенераторных модулей
• 1.3. Постановка задач работы
• Раздел 2. Разработка принципиальной схемы блока питания
• 2.1. Разработка схемы на основе DC/DC преобразователя LTC3109
• 2.2. Расчет основных параметров ТГМ
• 2.3. Выводы по разделу 2
• Раздел 3. Экспериментальные исследования работы ТЭГ при различной разности температур
• 3.1. Структурная схема ТЭГ
• 3.2. Результаты экспериментальных исследований
• 3.2.1.Основные формулы и соотношения для определения параметров ТЭГ
• 3.3. Результаты испытаний макета источника питания на базе ТЭГ
• 3.3. Выводы по разделу 3
• Заключение
• Библиографический список

 

Введение

В настоящее время весьма актуальной является задача повышения надежности работы термоэлектрических преобразователей, нашедших широкое применение в радиоэлектронике, электроэнергетике, холодильной технике. Термоэлектрические преобразователи могут работать как в режиме генераторов электроэнергии, преобразуя тепло в электроэнергию, и как холодильники, трансформируя электроэнергию в холод.

Термоэлектрические преобразователи по техническим, эксплуатационным и экологическим характеристикам, а также по удельной стоимости преобразования энергии, за исключением эффективности преобразования энергии, превосходят существующие генераторы электроэнергии и охлаждающие приборы компрессорного типа. По этой причине термоэлектрические приборы нашли свою нишу только в тех областях техники, где максимальные значения мощности преобразования не превышают 500-1000 Вт, или там, где предъявляются высокие требования к долговечности, надежности и высокой стойкости приборов к внешним воздействиям, причем дальнейшее расширение областей применения термоэлектрических преобразователей связано с увеличением термоэлектрической добротности полупроводниковых материалов.

Целью данной работы является разработка блока питания на основе ТГМ.

Первый раздел работы посвящен обзору основных принципов работы ТЭГ и ТГМ, а также постановке задач работы. А также выбору ТГМ для проведения эксперимента.

Во втором разделе разработана принципиальная схема и монтажная плата блока питания на основе ТГМ. Также произведен сравнительный анализ модулей по их основным характеристикам.

Третий раздел посвящен обработке экспериментальных данных и сравнительному анализу выбранных модулей в различных температурных режимах.

 

Раздел 1. Основные принципы работы ТЭГ

1.1. Термоэлектрический эффект

Термоэлектрический эффект (или эффект Зеебека) объясняется следующим образом: при нагревании одного конца стержня из металла или полупроводника, между его горячим и холодным концами возникает разность потенциалов, величина которой и знак могут быть различны.Соединив два проводника, изготовленных из разных материалов, в замкнутую цепь и нагревая точку соединения проводников, образующих термоэлемент (термопару) (рис.1.1), получим в цепи э.д.с., определяемую разностями потенциалов, возникающих в используемых проводниках при их неравномерном нагреве. [1]

Величина возникающей термо-ЭДС в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего (Т₁) и холодного (Т₂) контактов.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС (E) можно считать пропорциональной разности температур:

E = α₁₂(Т₂ — Т₁),                                             (1.1)

где α₁₂ — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термо-ЭДС).

В простейшем случае коэффициент термо-ЭДС определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры α₁₂ , и в некоторых случаях с изменением температуры меняет знак.

Более корректное выражение для термо-ЭДС:

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся не скомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Обратный данному эффект получил название эффекта Пельтье. При наблюдении этого эффекта через полупроводник с исходной постоянной температурой всего образца пропускают постоянный ток, который создает разность температур между проводниками А и В (рис.1.2)

вследствие выделения тепла на одном контакте (горячий контакт) и поглощения тепла на втором(холодный контакт). Коэфициент Пельтье(П), определяется формулой

П=Q/J,                                                (1.3)

где Q-количества тепла выделяющееся за 1с в одном контакте и поглощаемое в другом, а J-ток, проходящий через образец. [2]

Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, это свойство используется в элементах Пельтье.

Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

На данном эффекте базируется принцип действия  термоэлектрического преобразователя- элемента Пельтье.

1.2. Термоэлектрические модули

1.2.1 Принцип работы термоэлектрического модуля

Модуль Пельтье представляет собой термоэлектрический холодильник, состоящий из последовательно соединенных полупроводников p- и n-типа, образующих p-n и n-p-переходы (рис.1.3). В соответсвии с теорией [4] при пропускании тока I через рассматриваемый термоэлемент в направлении, указанном стрелкой, на n-p-переходе (холодном спае) поглощается, а на p-n (горячем спае) выделяется тепло Пельтье согласно зависимости

Q_П = ПI                (1.4)

При этом охлаждаемый спай имеет температуру Т_x, а нагреваемый Т_г. Если температуру нагреваемого спая поддерживать постоянной за счет теплоотвода, то между спаями возникает стационарная разность температур

ΔТ=Т_г-Т_х              (1.5)

Тепловая нагрузка на холодный спай Q₀ состоит из теплоты Q₁, обусловленной источником тепла, находящимся внутри термостатируемого объема, и теплоты, поступающей в термостатируемый объем из окружающей среды Q2.

Уравнение теплового баланса для холодного спая может быть записано в виде (рис. 1.4,а):

Q_т+0,5Q_дж+Q₀=Q_П,                                         (1.6)

где Q₀=Q₁+Q_2, а 0,5 Q_дж=0,5I²r

При изменении направления тока (рис.1.4,б) места выделения и поглощения тепла взаимно меняются[3].

Решая равенство (1.6) относительно перепада температур на концах термоэлемента, получим выражение вида:

Типичный модуль обеспечивает значительный температурный перепад, который составляет несколько десятков градусов. При соответствующем принудительном охлаждении нагревающегося радиатора второй радиатор — холодильник, позволяет достичь отрицательных значений температур.

Главная характеристика термоэлектрического охлаждающего устройства — это эффективность охлаждения.

где α – коэффициент термо-ЭДС;

r – удельное сопротивление;

λ – удельная теплопроводность полупроводника.

Параметр Z – функция температуры и концентрации носителей заряда, причем для каждой заданной температуры существует оптимальное значение концентрации, при которой величина Z максимальна. Максимальное снижение температуры связано с величиной эффективности выражением:

где Т – температура холодного спая термоэлемента.

Чем больше значение Z для отдельных ветвей, тем больше значение,

которое определяет КПД всего термоэлемента. Целесообразно выбирать полупроводники с наибольшими значениями подвижности и с минимальной теплопроводностью. Введение в полупроводник тех или иных примесей – основное доступное средство изменять его показатели (α, ρ, λ)в желательную сторону.

С учетом выражения (1.8) равенства (1.6) и (1.7) можно записать в виде

На рис.5 показана зависимость максимального перепада температур в функции параметра эффективности и температуры горячего спая[3].

Из рис.1.5 видно, что с повышением параметра эффективности максимальная разность температур спаев растет. Естественно с увеличением ΔТ расширяется сфера возможного применения термоэлектрических устройств.

1.2.2. Применение термоэлектрическсих модулей на основе элементов Пельтье

Среди основных областей применения ТГМ можно выделить следующие:

• утилизация бросового тепла на транспортных установках (автомобилях, судах);
• автономное обеспечение энергией электронных блоков для водяных котлов и мусоросжигательных установок;
• катодная защита газовых трубопроводов;
• преобразование тепла природных источников — геотермальные воды и т.п. в электрическую энергию;
• автономное питание маломощных электрических устройств.

Основные направления практического использования эффекта Пельтье в полупроводниках: получение холода для создания термоэлектрических охлаждающих устройств, подогрев для целей отопления, термостатирование, управление процессом кристаллизации в условиях постоянной температуры.

Термоэлектрический метод охлаждения обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами охлаждения. Термоэлектрические устройства отличаются простотой управления, возможностью тонкого регулирования температуры, бесшумностью, высокой надежностью работы.

Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, или энергетическая эффективность охладителя не важна. Например элементы Пельтье применяются в маленьких автомобильных холодильниках, так как применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров и кроме того необходимая мощность охлаждения невелика.

Кроме того, элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например, в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах.

Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров, с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

В приборах, при низкой мощности охлаждения, элементы Пельтье часто используются как вторая или третья ступень охлаждения. Это позволяет достичь температур на 30 – 40° K ниже, чем с помощью обычных компрессионных охладителей (до -80 для одностадийных холодильников и до -120 для двухстадийных).

1.2.3. Виды термоэлектрических модулей

Для определенных целей используются различные ТГМ. Рассмотрим характеристики и основные свойства некоторых из них. На рис.1.6 изображены конфигурации исполнения генераторных ТГМ.

Для обозначения термогенераторных модулей используется универсальное сокращение вида: ТГМ-N-C-h, где:

ТГМ – сокращенное обозначение изделия – термоэлектрический генераторный модуль;
N – количество термоэлектрических пар в модуле;
С – длина ребра основания термоэлектрического элемента (в миллиметрах);
h – высота термоэлектрического элемента (в миллиметрах).

Например, в модуле ТГМ-127-1.0-2.5: 127 термоэлектрических пар (254 термоэлектрических элементов), каждый элемент имеет поперечное сечение 1,0х1,0 мм и высоту 2,5 мм.[5]

В при разработке блока питания мы будем рассматривать два вида ТГМ, параметры которых представлены в таблица 1.1 [5]. ТГМ являются продукцией ИПФ «Криотерм» (г. Санкт-Петербург).

Таблица 1.1. Параметры модельных ТГМ

 

ТГМ характеризуется следующими параметрами:

электрическим сопротивлением

где N – число пар ветвей,

h – высота ветви,

a – сторона поперечного сечения ветви,

γ = h / a² – геометрический фактор,

ρ – удельное электрическое сопротивление ветви (величина порядка 10^–5 Ом·м);

тепловой проводимостью K_m:

где λ_T– коэффициент теплопроводности ветви (величина порядка 1.5 Вт/(м·К));

коэффициентом Зеебека α:

α = 2N α_T

где α_T – коэффициент Зеебека одной ветви (величина порядка 200 мкВ/К).

1.2.4. Особенности применения ТГМ

Для получения наибольшей эффективности и надежности работы ТГМ необходимо руководствоваться следующими ключевыми принципами:

Горячая и холодная поверхности, на которые будет установлен модуль, должны иметь высокую плоскостность: не хуже 20 мкм в базовом варианте.

Генераторный модуль должен быть соответствующим образом установлен между источником тепла и холодным радиатором. Для достижения наилучшего результата и сохранения работоспособности генераторного модуля в течение срока эксплуатации необходимо обеспечить усилие сжатия порядка 1–1,5 кН для модуля размером 40х40 мм. Для оптимизации нагрузки в период эксплуатации целесообразно использовать пружины совместно с резьбовыми соединениями (будет описано ниже).

Температура горячей стороны ТГМ не должна превышать заданную в спецификации (для выбранных тестируемых ТЭМ до 300 ^оС).

Край металлической поверхности источника тепла, соприкасающейся с ТГМ, должен выходить за границы модуля, желательно на 10 мм и более с каждой стороны.

Температура поверхности модуля должна быть максимально равномерной. В случае если источник тепла и/или радиатор холодной стороны изготовлены не из меди, рекомендуется применять промежуточные медные пластины для предотвращения неравномерного температурного поля.

Для увеличения потока тепла, проходящего через модуль, диаметр стягивающих болтов конструкции термоэлектрического генератора должен быть по возможности минимальным. Материал болтов желательно выбирать с минимальной теплопроводностью (например, нержавеющая сталь).

Для обеспечения наилучшего теплового контакта ТГМ с источником тепла и радиатором холодной стороны необходимо применять теплопроводную пасту. Слой термопасты должен быть по возможности минимальным для сохранения прямого контакта между керамической поверхностью модуля и металлом (рисунок1.7).

Для получения максимальной генерируемой мощности конкретный тип модуля должен быть выбран с учетом характеристик элементов конструкции ТЭГ, радиатора, интерфейсных материалов. Важной характеристикой является его тепловое сопротивление R_t (таблица3.4).

1.2.5. Установка термогенераторных модулей

Существует два наиболее распространенных способа установки модуля в конструкцию ТЭГ: с помощью болтового прижима и с помощью пайки.

Второй вариант установки модулей, как правило, применяется для маломощных ТЭГ, работающих на небольших перепадах температур со средней эффективностью преобразования. Механическая прочность таких конструкций невысока из-за относительной массивности радиатора.

Наибольшее распространение получил простой способ установки ТГМ с помощью резьбовых стягивающих болтов (шпилек). Необходимость обеспечения прижимного усилия, с одной стороны, и необходимость работы с максимально допустимым для модуля перепадом температур между горячей и холодной сторонами, с другой, заставляют искать решения, позволяющие компенсировать тепловое расширение и обеспечить равномерное усилие сжатия модуля в широком интервале температур. Одним из наиболее перспективных способов установки ТГМ, повышающим долговечность и эффективность ТЭГ, является применение стандартной конструкции с резьбовым соединением, компенсирующим тепловое расширение пружин, которые обеспечивают равномерность сжатия в диапазоне рабочих температур до 300 °С с усилием от 1 до 1,5 кН (для модуля размером 40х40 мм).

На рисунке 1.8 приведен вариант установки ТГМ с помощью компенсирующих пружин (сила сжатия приведена для модуля размером 40х40 мм).

1.3. Постановка задач работы

Целью данной работы является разработка блока питания на основе термогенераторного модуля (ТГМ). Основными задачами, решаемыми в данной работе, являются:

1. Разработать питающий модуль, обеспечивающий автономное питание беспроводных систем передачи данных и микроконтроллера от (ТГМ) на основе эффекта Зеебека;
2. Разработать печатную плату блока питания.
3. Проанализировать работу полученного источника питания и экспериментально определить его основные параметры.

Для разработки блока питания для микроконтроллерного устройства с автономным питанием на основе термогенераторного модуля были выбраны модули ТГМ-287-1,0-2,5 и ТГМ-199-1,4-0,8.

---

Страницы:   1   2

---