Використання малопотужних термогенераторів для зарядки акумуляторів мобільних телефонів, цифрових фотоапаратів

На сьогодні для живлення мобільних телефонів використовуються наступні типи акумуляторів: нікель-кадмієві (NiCd); нікель-металгідридні (NiMH); літій-іонні (Li-ion); літій-полімерні (Li-pol).

Основні характеристики акумуляторів для мобільних телефонів наведені у таблиці 1.

Таблиця 1. Характеристики акумуляторів для телефонів (радіо та мобільних) та цифрових фотокамер

№	Найменування, тип акумулятора	Матеріал	Розмір, мм	Напруга, В	Емність, мА·год	Країна виробник	Вартість, грн.
1	Радіо телефон, Т-111	NiCd	52×50×13	4,8	600	Китай	34
2	Радіо телефон, Т-110	NiCd	50×42×13	3,6	600	Китай	27
3	Радіо телефон, Т-107	NiCd	50×30×13	3,6	300	Китай	17
4	Радіо телефон, VARTA Т-301	NiCd	35×25×15	3,6	400	Німеччина	35
5	SIEMENS C-2588	Li-ion	35×50×10	3.6	1400	Японія	80
6	ERICSSОN (моб. тел)	NiCd	50×60×12	4.8	750	Швеція	60
7	SIEMENS C-45 (моб. тел)	Li-ion	35×50×10	3.6	950	Японія	110
8	SIEMENS C-25 (моб. тел)	NiMH	35×50×10	3.6	650	Японія	90
9	Радіо телефон, Panasonic P501	NiCd	50×40×15	3.6	600	Японія	62
10	Радіо телефон, Panasonic P305	NiCd	30×25×15	2.4	300	Японія	56
11	Мобільний телефон, P-592, KX-A92	NiCd	70×45×6	3.6	600	Індонезія	82
12	Panasonic (фотокамера)	Li-ion	45х30х15	3,0	300		25

Аналіз основних енергетичних характеристик найбільш розповсюджених типів акумуляторів для мобільних телефонів і цифрових фотоапаратів показав, що ємність їх знаходиться в межах від 300 до 1400 мА·год, напруга в межах від 2,4 до 4,8 В.

За даними спеціалістів, що займаються розробкою мобільних телефонів [7], нові моделі стільникових телефонів все частіше вимагають підзарядки акумуляторів. Розміри кишенькових апаратів зменшуються, а функції, які вони виконують, збільшуються. Поява в телефонах фотокамер з потужним фотоспалахом, кольорових екранів, відеокамерами і інших технічних рішень випереджає не такий швидкій ріст ємності акумуляторів. Завдяки застосуванню літій-іонної технології телефонні батарейки за останні 10 років збільшили втричі свою ємність на одиницю об’єму. Енергетичні вимоги нових моделей мобільних телефонів будуть зростати приблизно на 10 % в рік. Однак розробники хімічних джерел струму не можуть задовольнити ці потреби, сучасні елементи живлення для стільникових телефонів забезпечують їх неперервну роботу протягом 1 доби, після чого потрібна підзарядка. Крім щоденного стомлюючого процесу зарядки акумулятора, це призведе до необхідності частіше міняти акумулятори (їх термін служби обмежений – декілька сот циклів «заряд-розряд», не більше 2 років).

Нижче наведений енергетичний баланс сучасного стільникового телефону:

– пристрої, які забезпечують зв’язок приймач-передавач, підсилювач і модем – 1,2 Вт;

– пристрої для ретрансляції сигналів на невеликі відстані в радіодіапазоні або ІЧ променями – 0,4 Вт;

– процесори для обробки зображень цифрової фотокамери, для трьохвимірних ігор і перегляду кінофільмів – 0,9 Вт;

– пам’ять для збереження цих зображень – 0,2 Вт;

– радіоприймачі і програвачі музики в стисненому форматі МР3 – 0,3 Вт.

Всього близько 3 Вт. Крім того, в телефонах появляються системи супутникової навігації, диктофон, електроніка для автоматичного роумінгу в телефонних мережах різних стандартів.

Існує розробка і серійно випускається російською фірмою ИПФ Криотерм (м. Санкт-Петербург) термогенератор номінальною потужністю 8 Вт, який призначений для підзарядки елементів живлення індивідуальних засобів зв’язку і навігації, радіоприймачів, стільникових і супутникових телефонів, переносних комп’ютерів, пристроїв автоматики, освітлення у віддалених і важкодоступних місцях (рис. 5). [8].

Рис. 5. Термогенератор виробництва ИПФ «Криотерм» (Росія) для живлення малопотужних споживачів [8].

Такий термогенератор є незамінним для мисливців, туристів, моряків, співробітників рятувальних і спеціальних служб, які вимушені тривалий час знаходитись без джерел центрального енергопостачання. Конструктивно генератор виконаний у вигляді алюмінієвого ковша об’ємом близько 1 л, на дні якого встановлені генераторні модулі. Необхідний для роботи генератора перепад температур досягається при розігріві ковша, наприклад полум’ям багаття. Генератор забезпечений ступеневим стабілізатором напруги з діапазоном від 3 до 12 В.

І нша російська фірма «Термокластер» [9] випускає термогенератор для живлення побутової радіоапаратури, засобів зв’язку, освітлення і підзарядки акумуляторів мобільних телефонів, радіостанції, відеокамер, ехолота, навігатора, ноутбуків з використанням тепла різноманітних джерел тепла: керогазу, примуса, газового пальника, пічки, багаття, інших джерел з відкритим полум’ям (рис.6). Електрична потужність генератора складає 12 Вт при напрузі 12 В, вага 5 кг, габаритні розміри 230х250х240 мм. Недоліком такого термогенератора є велика вага і вартість, яка складає 200$.

Рис. 6. Генератор термоелектричний ГТУ-12-12 виробництва «Термокластер» (Росія) для живлення побутової радіоапаратури [9].

Серйозну конкуренцію малопотужним термоелектричним генераторам як джерелам електрики для зарядки акумуляторів, що використовується у мобільних телефонах, КПК, цифрових фотоапаратах і т.п. можуть скласти портативні фотоелектричні перетворювачі (сонячні фотобатареї) [10]. Якщо для стаціонарних фотобатарей питома вартість складає 4,5-7 $/Вт [10], то питома вартість портативних фотобатарей, які використовуються, переважно, для зарядки акумуляторів мобільних телефонів, цифрових фотоапаратів, КПК, МР3-плеєрів, тощо, знаходиться в межах від 7 до 85 $/Вт [11]. Сонячні батареї, представлені на ринку, поділяються умовно на 3 групи:

– малопотужні сонячні батареї з малою площею фотопластин і відносно високою ціною (60-80$/Вт);

– універсальні сонячні батареї, для живлення широкого кола споживачів у польових умовах, ціна і якість варіюються в широких межах, найбільш придатні для туристів;

– панелі сонячних елементів – набір фотопластин, закріплених на підложці є основою для побудови більш сучасних і зручних пристроїв на їх основі.

Головними факторами, що обмежують широке використання сонячних батарей, є їх висока ціна і залежність від кліматичних погодних умов, сезонні і добові зміни їх характеристик. Тому обов’язковим в комплекті сонячних батарей є акумулятор і зарядний пристрій, що збільшує вагу і робить такий пристрій малопридатним для походів.

З аслуговує на увагу мікрогенератор для зарядки акумуляторів, батарейних пристроїв компанії «Harris Corporation», США [12] (рис.7).

Рис. 7. Блок-схема мікрогенератора

для зарядки акумулятора виробництва “Harris Corporation”, США [12].

Він містить мікрокамеру згоряння (температура стінок досягає 800 ºС), термоелектричний модуль на основі структур з квантовими ямами. Ефективність модуля, на думку авторів, складає 14-20 %. Електрична потужність генератора складає 2 Вт при напрузі 12 В. У іншому варіанті [13] для оптимального використання тепла згоряння палива ця розробка забезпечена газовою турбіною, яка дає додаткову енергію.

Як альтернатива сонячним батареям компанія «PGI International», США [14] випускає генератори потужністю 2 і 8 Вт (рис.8). Основне їх призначення – живлення систем комунікацій і моніторинг труднодоступних районів. Головним недоліком таких генераторів є їх великі габарити та вага.

Рис. 8. Термоелектричний генератор потужністю 2 Вт, “PGI International”, США [14].	Рис. 9. Термоелектричний генератор POWERPOT.

Відомі термогенератори для мандрівників потужністю від 5 до 15 Вт (рис.9), торгівельна марка POWERPOT. Це похідний казанок ємністю 1.4 л, у дно якого вмонтовано термоелектричну батарею. Джерелом тепла для генератора є газ, бензин, тверде паливо. Головний недоліком термогенератора є висока вартість, яка в залежності від потужності складає 125- 500$.

В Інституті термоелектрики створені термогенератори потужністю від 1 до 10 Вт з дифузійними каталітичними джерелами тепла [15]. Вони комплектуються зарядним пристроєм і стабілізатором напруги. Особливість розроблених термоелектричних генераторів – можливість використання рідкого палива (бензин, гас, спирт). На рис.10 наведений термогенератор потужністю 1,5  Вт з каталітичним випарним пальником. Власна паливна ємність розрахована на безперервну роботу протягом 25 годин. При необхідності генератор через дозатор підключається до паливного бака більшої ємності.

Рис. 10. Термоелектричний генератор потужністю 1,5 Вт, ІТЕ, Україна [15].

Використання каталітичних дифузійних джерел тепла у складі мікрогенераторів в Інституті термоелектрики дозволило вирішити ряд проблем теплового регулювання, надійної роботи генератора в широкому діапазоні подачі палива [16].

Для центральної схеми знайдена оптимальна конфігурація гарячого колектора і оптимальні відстані каталізатор – колектор, за яких досягаються максимальні температури. Приведені схеми реалізовані в конкретних варіантах каталітичних мікроТЕГ [17] потужністю від 10 до 150  мВт.

Особливість мікрогенераторів потужністю 10 і 40 мВт полягає в реалізації часткової рекуперації тепла, відведеного від холодних спаїв термобатареї, яке використовується для попереднього підігріву палива. У генераторі потужністю 100 мВт використовується стандартний газовий балон ємкістю 80-100 мл. За умови тривалого живлення споживачів електричною енергією стандартними гальванічними елементами і розробленими мікроТЕГ, відносна вартість енергії термогенераторів у 3 рази менша за вартість енергії гальванічних елементів.