3.3 КПД зарядного устройства для GPS / телефона, на элементе Пельтье.
На предыдушей странице, мы видели, что даже примитивное зарядное устройство на одном элементе Пельтье выдает 4V * 0.4A = 1.6W (в установившемся режиме). Максимум - 2W (2.5V0.8A).
Все знают, что КПД термоэлектрических преобразователей - низкий. Согласно ВикиПедии он может быть в диапазоне 7 - 12%. Но судя по тому, как вся конструкция нагревается во время работы, можно понять что общий КПД не дотягивает даже до 7%.
Что бы понять где мы находимся надо сделать несколько экспериментов.
Начнем с простого. Прежде всего необходимо выястнить сколько топлива в одной банке и как долго она может давать тепло. Это просто. В начале взвешиваем пустую и полную банки.
Пустая весит 50 g., полная 130 g. Теперь необходимо выяснить как быстро мы расходуем топливо (которое в середине "FancyHeat, The world's best fuels:) "). Это то же просто, если взвешивать работающий нагреватель каждую минуту.
Данные переносим в Excel. Не потому, что это красиво, а потому, что позволяет определить ошибку, если она существует.
За 5 минут мы потеряли 2.3 грамма, приблизительно линейно. Те - 0.5 грамма в минуту (0,46g/min), для нагревателя, который не успел разогреться. То, максимальное время работы такого нагревателя = 80g / 0,5g/min = 150min или 2,5 часа.
Теперь будет сложнее. Необходимо определить сколько тепла производит такой нагреватель. Проще всего это сделать нагревая воду, и змерять ее температуру каждую минуту. Чем меньше разница между темепературой воды и окружающей температурой, тем точнее результат.
Ничего лучшего, чем нагревать 200 грамм воды в тонкостенном стальном стакане, я не придумал. Секундомер, термометр и постоянно помешивать воду в стакане, что бы выровнять температуру в объеме.
Опять же, данные переносим в Excel, что бы убедиться что температура поднимается линейно.
Удельная теплоемкость воды 4,187 кДж/кг. К. То есть, что бы нагреть 1000 грамм воды на один градус Кельвина, необходимо потратить 4187 Джоулей. Для 200 грамм - 837 Дж.
За 5 минут температура поднялась на 37 градусов, те мы получили 37'C * 837Дж = 30969 Джоулей тепловой энергии. Если их разделить на 300 секунд, то получим теловую производительность этого нагревателя = 103 Дж/сек.
Учитывая, что Джоуль это Ватт * секунда, то получаем тепловой поток от нагревателя - 103 Ватт.
Теперь понятно куда я веду. На выходе преобразователя получаем 1,6 Ватт, расходуем 103 Ватт ... КПД получается 1,5%.
Но не все так плохо. В первый момент, когда охлаждающие радиаторы не успели нагреться, устройство выдает около 1 Ампера. Это около 4 Ватт полезной мощности и около 4% КПД.
Получается, что не стоит смеяться над КПД паровоза. Если бы последний был на полупроводниковых элементах Пельтье, то было бы еще хуже.
РЕЗУЛЬТАТ.
Расчетное время работы такого нагревателя - 2 часа. За это время, из 206 Ватт*час тепла, мы соберем 3.2 Ватт*час электроэнергии. Мой телефон имеет батарею 4.81 Whr (3,7V1.3A) поэтому полностью зарядить его я не смогу.
Но не все так плохо. При более эффективной системе охлаждения с этого устройства можно снимать до 4 Ватт электричества. Есть два простых варианта как это сделать. Первый на верхний радиатор добавить вентилятор, второй - вместо верхнего радиатора поставить емкость с водой. В обоих случаях можно ожидать, что выходная мощность повысится до 2.5-3 Ватт, что уже приемлемо.
О конструкции генератора - на предыдушей странице,
_