Sisteme Termoelectrice

CUPRINSUL

TERMENII CHEIE:

1 INTRODUCERE

1.1 SCOPUL

1.2 CONTEXTUL PROIECTULUI

1.3 DOMENIUL TEMEI DE LICENȚĂ

1.4 MOTIVAȚIA

1.4.1.MODULUL GENERATOR TERMOELECTRIC

1.4.2. MODULUL DE CLIMATZARE

2 NOTIUNI TEORETICE

2.1 MICROCONTROLERE

2.1.1 Introducerea microcontrolerelor

2.1.2 Unitatea de memorie

2.1.3 Unitatea de procesare centrală

2.1.4 Bus-ul

2.1.5 Unitatea intrare-ieșire

2.1.6 Unitatea timer

2.1.7 Watchdog-ul

2.1.8 Scrierea programului

2.2 MICROCONTROLLERE UTILIZATE

2.2.1 LTC1871-generator thermoelectric

2.2.1.1 DESCRIERE

2.2.1.2 CARACTERISTICI

2.2.1.3 Funcții Pini

2.2.1.4 FUNCȚIONARE

2.2.1.5 Programarea -modul de operare

2.2.2 ATMEGA 328-climatizare auto

2.2.2.1 Specificații

2.2.2.2 Parametrii

2.2.2.3 Aplicații

2.2.3 Reduino Core

2.2.3.1 Programarea

2.2.3.2 Scrierea codului.

2.2.3.3 Specificatii Reduino Core

2.3 GENERATORUL TERMOELECTRIC

2.4 SISTEME DE RĂCIRE TERMO-ELECTRICE

2.5 SISTEME DE CONTROL DIGITAL

2.5.1 Convertoare analog numerice-CAN.

2.5.2 Convertoare numeric-analogice –CAN.

3 CUPRINSUL LUCRARII

3.1 GENERATORUL TERMOELECTRIC

3.1.1 Caracteristicile modulului termoelectric

3.1.2 Realizarea modulului thermoelectric

3.1.3 Funcționarea de bază a principiului convertorului DC-DC cu LTI 1871

3.1.4 Simulare sistem

3.1.5 Experimentare și rezultate

3.1.6 Concluzie

3.1.7 CONVERTORUL DC-DC

3.1.7.1 Prezentare Convertor LTC1871

3.2 CLIMATIZARE AUTO

4 COMPONENTELE UNUI BORD ARDUINO

ALIMENTARE ELECTRICĂ

CONEXIUNI DE PUTERE

INTRARI ANALOGICE

CONEXIUNI DIGITALE

CARACTERISTICILE MODULULUI PELTIER

How does a TEC work?

Controlling temperature with TEC

5 CERCETARE

6 CONCLUZII

6.1 CONTRIBUȚII PROPRII

6.1.1 Generatorul termoelectric si termocooler

6.1 CONCLUZII REZULTATE ÎN URMA ANALIZEI BIBLIOGRAFICE

6.2 CONCLUZII REZULTATE ÎN URMA STUDIULUI EXPERIMENTAL

Concluzii rezultate în urma analizei comparative

6.3 CONCLUZII REFERITOARE LA OPTIMIZAREA INSTALAȚIEI EXPERIMENTALE PROPUSE

7 BIBLIOGRAFIE

8 REFERINȚE WEB

A. CODUL SURSĂ

8.1 CLIMATIZARE AUTO

B. SITE-UL WEB AL PROIECTULUI

C. ANEXE

8.1 ANEXA 1

8.1.1 Generatorul termoelectric.

8.2 ANEXA 2

8.2.1 Climatizare auto

CD / DVD

INDEX

Introducere

Scopul

Scopul principal al acestei lucrari este încercarea de înlocuire a sistemelor clasice , alternatorul auto respective climatizarea clasica cea cu răcire cu gaz(freon).

Energie regenerabilă, cum ar fi energia solară, energia eoliană sau hidroenergia este de preferat, dar are o utilizare limitată și depinde de vreme și topografie. Energia termoelectrica poate converti energia termică în energie electrică direct. Generarea de energie termoelectrică are avantajată de întreținere redusa,nu produce zgomote în funcțiune și nu implică nici o parte în mișcare .

În ultimii ani sau experimentat generatorul de energie, exemplu TE. Killander a dezvoltat un generator de TE folosind două module de putere, modelul HZ-20. În timpul de funcționare, producția generatorului a fost de aproximativ 10 W și furnizate bateria cu o putere netă 1-5 W .Roth a dezvoltat și testat un sistem hibrid fotovoltaic termoelectrice ca sursă de alimentare pentru un repetor telefon mobil.Sistem dezvoltat suficient pentru 50 W pe o sarcină permanentă.

Contextul proiectului

Lucrarea de față este o abordare alternative la crearea de confort climatic în interiorul autoturismului și totodată, um mod alternativ de a crea energie electrică în paralel cu alternatorul mașinii, aceasta din urma compensînd consumul electric consumat de sistemul de racire.Pentru preluarea informațiilor de la senzori se folosește un microcontroller, util și pentru optimizarea consumului de racire cât și pentru incarcarea bateriei.

Domeniul temei de licență

Problema pe care lucrarea de față o abordează se referă incarcarea bateriei autoturismului cat si climatizarea acestuia, avand ca constrangere un cost cât mai mic la realizarea generatorului termoelectric cu efect Seebeck, cât și optimizarea consumului elementului Peltier utilizat la realizarea climatizării in incinta mașini.

Comparativ cu circuitele analogice, un sistem de comandă și monitorizare bazată pe microcontroler permite o mai mare flexibilitate, și o adaptare mai bună la modificarea parametrilor.

În cadrul modulului de climatizare un aspect important îl reprezintă monitorizarea bateriilor, deoarece folosirea lor peste limita permisă poate produce distrugerea lor, iar in cazul termoganeratorului este importanta un prag de incarcare a acesteia deoarece depasirea peste limita permisă (14,4V) poate produce distrugerea ei.

Astfel se va monitoriza consumul de curent din circuit precum și gradul lor de descărcare. Cunoașterea acestor parametri permite o estimare a timpului rămas până la descarcarea bateriilor, în ritmul de consum actual. Folosind curbele de consum se pot indica diverse moduri de prelungire a duratei de descărcare, în funcție de modul de utilizare de la unul de conducere linistit pâna la unul agresiv.

Comunicarea cu senzorii, se face folosind protocoale cum ar fi I2C respectiv USB. Datele circulă în general într-o singură direcție de la senzori spre microcontroller, sau de la acesta spre elementele de acționare și în ambele sensuri pe USB pdntru posibile dezvoltari ulterioare.

Motivația

1.4.1.Modulul generator termoelectric

Principalul obiectiv al acestui modul îl constituie monitorizarea descărcării unor acumulatori când sunt folosiți cu un consum variabil, care este alimentat de elemente termoelectrice . Acest elemente termoelectrice convertesc direct energia termică în energie electrică pentru a putea incarca o baterie. Un convertor DC-DC și controlat de un microcontroler a fost utilizat pentru a urmăriri un nivel de alimentare maxim . Sistemul experimental propus are o putere maximă de încărcare de aproximativ 2.5 W.

Motivatia este de a studia principiul de generare a energiei cu ajutorul elementelor termoelectrice și de a proiecta si dezvolta unui element termoelectric încărcător care folosesc căldura reziduală a unui motor cu ardere interna care sa poata compensa energia consumata de sistemul de climatizare pe care l-am propus și implemantat în această lucrare.

1.4.2. Modulul de climatzare

Principalul obiectiv al acestui modul îl constituie monitorizarea temperaturii în incinta autovehiculului in perioada de vara cât și utilizarea acestuia în perioada de iarna ca sursă alternativa la incalzirea acestuia pâna temperatura agentului termic(antigelul) ajuge la tempeatura optima( minim 40◦C) pentru a fi utiliza pentru încalzire.

În acest sens s-a folosit o placă de dezvoltare tip Arduino care cu ajutorul senzorilor monitorizează temperatura atât cea internă din autovehicul cât si cea externă , și prin utilizarea un softului poate să ia decizia care se impune pentru păstrarea temperaturii impuse , atât vara prin racire cât și iarna prin incalzire, datorată procesului reversibila care îl poate avea elementul Peltier.

Notiuni teoretice

Microcontrolere

Introducerea microcontrolerelor

Dezvoltare în domeniul microcontrolerelor a făcut posibilă înmagazinarea a sute de mii de tranzistoare într-un singur cip. Aceasta a fost o premiză pentru producția de microprocesoare, și primele calculatoare au fost făcute prin adăugarea perifericelor ca memorie, linii intrare-ieșire, timer-i și altele. Următoarea creștere a volumului capsulei a dus la crearea circuitelor integrate. Aceste circuite integrate conțin atât procesorul cât și perifericele. Așa s-a întâmplat cum primul cip conținând un microcalculator, sau ce va deveni cunoscut mai târziu ca microcontroler .

Unitatea de memorie

Memoria este o parte a microcontrolerului a cărei funcție este de a înmagazina date. Pentru o anumită intrare obținem conținutul unei anumite locații de memorie adresate și aceasta este totul. Memoria constă din toate locațiile de memorie, și adresarea reprezintă selectarea uneia din ele. Aceasta înseamnă că trebuie să selectăm locația de memorie la un capăt, și la celălalt capăt trebuie să așteptăm conținutul acelei locații. În afară de citirea dintr-o locație de memorie, memoria trebuie de asemenea să permită scrierea în ea. Aceasta se face prin asigurarea unei linii adiționale numită linie de control această linie fiind R/W (citește /scrie). Linia de control este folosită în următorul fel: dacă r/w=1, se face citirea, și dacă opusul este adevărat atunci se face scrierea în locația de memorie.

Unitatea de procesare centrală

Este un bloc specific ce va avea o capabilitate incorporată de înmulțire, împărțire, scădere și să mute conținutul dintr-o locație de memorie în alta numită "unitatea de procesare centrală" (CPU). Locațiile ei de memorie sunt numite regiștri.

Regiștrii sunt locații de memorie al căror rol este de a ajuta prin executarea a variate operații matematice sau a altor operații cu date oriunde se vor fi găsit datele.

Bus-ul

Calea este numită "bus"- magistrală. Fizic, el reprezintă un grup de 8, 16, sau mai multe fire. Sunt două tipuri de bus-uri: bus de adresă și bus de date. Primul constă din atâtea linii cât este cantitatea de memorie ce dorim să o adresăm, iar celălalt este atât de lat cât sunt datele.Primul servește la transmiterea adreselor de la CPU la memorie, iar cel de al doilea la conectarea tuturor blocurilor din interiorul microcontrolerului.

Unitatea intrare-ieșire

Unitatea de intrare ieșire poarta denumirea și de"porturi". Sunt diferite tipuri de porturi: intrare, ieșire sau porturi pe două-căi. Când se lucrează cu porturi, mai întâi de toate este necesar să se aleagă cu ce port urmează să se lucreze, și apoi să se trimită date la, sau să se ia date de la port.

Când se lucrează cu el portul se comportă ca o locație de memorie și este posibil de a remarca ușor aceasta la pinii microcontrolerului.

Unitatea timer

Blocul timer care este important pentru că ne dă informația de timp, durată, protocol. Unitatea de bază a timer-ului este un contor liber (free-run) care este de fapt un registru a cărui valoare numerică crește cu unu la intervale egale, așa încât luându-i valoarea după intervalele T1 și T2 și pe baza diferenței lor să putem determina cât timp a trecut. Acesta este o parte foarte importantă a microcontrolerului al cărui control cere cea mai mare parte a timpului nostru.

Watchdog-ul

Are rolul de a „reseta”microcontrolerul nostru daca acesta se oprește din executarea programului, sau începe să funcționeze incorect.

Acest bloc este de fapt un alt contor liber (free-run) unde programul nostru trebuie să scrie un zero ori de câte ori se execută corect. În caz că programul se blochează, nu se va mai scrie zero, iar contorul se va reseta singur la atingerea valorii sale maxime. Aceasta va duce la rularea programului din nou, și corect de această dată pe toată durata. Acesta este un element important al fiecărui program ce trebuie să fie fiabil fără supravegherea omului.

Fib 2.1 Configurația fizică a interiorului unui microcontroler

Liniile subțiri ce merg din interior către părțile laterale ale microcontrolerului reprezintă fire conectând blocurile interioare cu pinii capsulei microcontrolerului. Schema următoare reprezintă secțiunea centrală a microcontrolerului.

Pentru o aplicație reală, un microcontroler singur nu este de ajuns. În afară de microcontroler, avem nevoie de un program pe care să-l execute, și alte câteva elemente ce constituie o interfață logică către elementele de stabilizare.

Scrierea programului

Scrierea programului este un domeniu special de lucru al microcontolerului și este denumit "programare". Programarea poate fi făcută în câteva limbaje ca Assembler, C și Basic care sunt cele mai folosite limbaje. Assembler aparține limbajelor de nivel scăzut ce sunt programate lent, dar folosesc cel mai mic spațiu în memorie și dă cele mai bune rezultate când se are în vedere viteza de execuție a programului. Programele în limbajul C sunt mai ușor de scris, mai ușor de înțeles, dar sunt mai lente în executare decât programele în Assembler. Basic este cel mai ușor de învățat, și instrucțiunile sale sunt cele mai aproape de modul de gândire a omului, dar ca și limbajul de programare C este de asemenea mai lent decât Assembler-ul.

După ce este scris programul, trebuie instalat microcontrolerul în instalația care dorim să o realizam . Pentru a face aceasta trebuie să adăugăm câteva componente externe necesare pentru funcționarea sa

Ceasul intern ajută microcontrolerul sa execută instrucțiunile programului. Îndată ce este alimentat microcontrolerul va executa un scurt control asupra sa, se va uita la începutul programului și va începe să-l execute.

Microcontrollere utilizate

LTC1871-generator thermoelectric

DESCRIERE

LTC1871(IC) are o gama larga de utilizari deoarece cu ajutorul unui tranzistor de putere tip MOSFET N-canal și un numarului mic de component externe poate fi utilizat pentru a controla currentul , tensiune respective poare fi utilizat ca și controlor SEPIC.

Frecvență de funcționare IC poate fi setat cu un rezistor extern pe o gamă intre 50kHz – 1MHz, și pot fi sincronizat cu un ceas extern folosind pinul MODE / SYNC. Mod de funcționare, component puține, o tensiune de alimentare de funcționare scăzuta de 2.5V și un curent de repaus de 10 µA face ca LTC1871 sa fie ideal pentru sisteme de operare inclusive cele alimentate cu baterii.

Pentru aplicații care necesită o menținere a frecvență constantă, operație modul Burst poate fi învins cu ajutorul PIN-ul MODE / SYNC.Marirea tensiunea de ieșire, SEPIC și aplicații flyback sunt posibile cu LTC1871 prin conectarea pinul SENSE la un rezistor la sursa de putere a MOSFET-ului.

CARACTERISTICI

■ Tensiune de intrare: 2.5V la 36V

■ Modul actual de control ofera un raspuns tranzitorii Excelent

■ Duty Cycle maxim (92% typ)

■ ± 2% Pragul RUN cu 100mV histerezis

■ ± 1% tensiune de referință

■ Curentul de repaus: IQ = 10 µA

■ Frecvență de operare (50kHz la 1MHz) programabil cu un rezistor extern

■ Sincronizabl la un ceas extern de până la 1,3 x fosc

■ Regulator internă- 5.2V

■ Ieșire protecție supratensiune

■ capabil să funcționeze cu un rezistor Sense pentru tensiuni mari în aplicații in tensiune

Funcții Pini

RUN (Pin 1): PIN-ul RUN oferă utilizatorului un mijloc exacte pentru detectarea tensiunii de intrare și pro-programa pragul de pornire pentru convertorul. Pragul RUN este nominal 1.248V și comparator are 100mV de histerezis pentru imunitate zgomot. În cazul în care PIN-ul RUN este sub acest prag de intrare, IC este oprit și curentul de alimentare VIN este menținută la o valoare scăzută .Tensiunea maximă pentru pe acest pin este 7V.

Ith (Pin 2): Eroare amplificator de compensare . Actualul prag de intrare comparator crește cu această tensiune de control. Gama nominală de tensiune pentru acest PIN este de 0V la 1.40V

FB (Pin 3): Primește tensiunea de feedback de la rezistor extern de la ieșire. Tensiune nominală de acest pin în regulament este 1.230V

FREQ (Pin 4): Frecvența de lucru a cipului. Tensiunea nominală de la PIN-ul FREQ este 0.6V.

MODE / SYNC (Pin 5): Această intrare controlează modul de funcționare al convertorului și permite sincronizarea frecvenței de funcționare cu ajutorul unui ceas extern. Dacă PIN-ul MODE / SYNC este conectat la masă, este activat modul de funcționare Burst. Dacă PIN-ul MODE / SYNC este conectat la INTVCC, sau în cazul în care un semnal de sincronizare la nivel de logica extern este aplicat la această intrare, operațiune Mode Burst este dezactivată și IC operează în mod continuu.

GND (Pin 6): Pin masa-ground.

GATE (Pin 7): Poarta de ieșire- Driver.

INTVcc (Pin 8): ieșire internă 5.20V -Regulator. Poarta de comanda și controlul circuitele sunt alimentate de la această tensiune. Se decupleza acest PIN la masa IC cu un minim de 4.7pF tantal sau condensator ceramic.

VIN (Pin 9): Tensiunea de intrare. Trebuie să fie decuplată la masă.

SENSE (Pin 10): Intrare curent SENSE pentru bucla de control. Conectarea acestui PIN la drena MOSFET de putere pentru detectare VDS.

FUNCȚIONARE

Bucla de control- principal

LTC1871 are frecvență constantă în modul curent controler pentru stimularea DC / DC, Sepic și convertor flyback.LTC1871 se distinge de controlerele convenționale, deoarece bucla de control de curent pot fi închise prin detectarea căderea de tensiune cu ajutorul unui transistor de putere MOSFET în loc de rezistor. Acest senzor tehnic imbunatateste eficiența, creste putere, și reduce costurile globale ale soluției.

Pentru operarea circuitului, se va consulta diagrama bloc a IC din anexa 1. În timpul funcționării normale, MOSFET de putere este pornit atunci când oscilatorul stabilește PWM și este oprit atunci când comparator curent C1 resetează dispozitivul de blocare. Tensiunea de ieșire este comparată cu o referință 1.230V intern de amplificator de eroare EA, care emite un semnal de eroare la pinul ITH. Tensiunea pe pinul ITH stabilește pragul actual de intrare comparator C1. Când crește curentul de sarcină, o scădere a tensiunii FB raport cu tensiunea de referință determină pinul ITH să crească, ceea ce face ca comparator de curent C1 să duca la o valoare actuală a inductorului mare. Prin urmare, curentul mediu in inductor va crește până când este egal cu curentul de sarcină, menținând astfel reglarea tensiuni de ieșire.

Deoarece dispozitivul de blocare este RS este resetat-dominant, în mod activ MOSFET de putere este ținut activ pe durata unei stări de ieșire.

LTC1871 poate detectarea căderea de tensiune pe MOSFET-ul de putere prin conectarea pinul SENSE la un rezistor șunt convențional în sursa de putere MOSFET, așa cum se arată în figura 2.

Prin conectarea pinul SENSE cu un rezistor în sursa de putere MOSFET, utilizatorul este capabil de a programa tensiuni de ieșire mai mare de 36V semnificativ.

Programarea -modul de operare

În cazul în care cererile pentru maximizarea eficienței la sarcini foarte usoare (de exemplu, <100 | µa) este o prioritate, curentul de ieșire ar putea fi redus la câteva micro-amps ca și Burst Mode (de exemplu, modul de / SYNC pin trebuie să fie conectat la masa). În cazul în care cererile de funcționare cu frecvență fixă este mai important decât o eficiență scăzută, sau cazul în care cel mai mic riplul de ieșire este de dorit, modul de funcționare, MODE / SYNC PIN-ar trebui să fie conectat la pinul INTVCC. Acest lucru permite mod de conducere discontinuu (DCM) funcționare până aproape de limita definită de minimul cip-ului în timp (aproximativ 175ns).

ATMEGA 328-climatizare auto

Specificații

Atmega 328 AVR 8-bit este un circuit integrat de înaltă performanță ce se bazează pe un microcontroler RISC, combinând 32 KB ISP flash o memorie 1 KB de memorie EEPROM, 2 KB de SRAM, 23 linii E/S de uz general, 32 înregistrari procese generale, trei cronometre flexibile/contoare ,întreruperi internă și externă, programator de tip USART, o interfață serială , SPI port serial, 6-canale ,CAN pe 10 biți , watchdog programabil cu oscilator intern, și cinci moduri de software-ul intern de economisire a energiei selectabil. Dispozitivul funcționează 1,8-5,5 volți.Prin executarea instrucțiuni puternice într-un singur ciclu de ceas, aparatul realizează un răspuns de 1 MIPS, echilibrând consumul de energie și viteza de procesare.

Parametrii

Tensiune de intrare (recomandat):     7-12V

Tensiune de intrare (limită):                 6-20V

Pini digitali:                                             14 (6 PWM output)

Pini analogici:                                        6

Intensitate de ieșire:                             40 mA

Intensitate de ieșire pe 3.3V:               50 mA

Memorie flash :                                       32 KB (ATmega328)  0.5 KB pentru bootloader

SRAM:                                                     2 KB (ATmega328)

EEPROM:                                               1 KB (ATmega328)

Clock Speed:                                        16 MHz

Aplicații

ATmega328 acesta este frecvent utilizat în mai multe proiecte și sisteme autonome fiind un microprocesor simplu, de consum redus, cost scăzut. Cea mai comună implementare acest chip este platforma pentru Arduino, pentru modelele Uno și Nano, respectiv Reduino Core

.

Reduino Core

Este o placa tip Arduino cu un excelent raport cost / performantă . Este perfect similară cu Arduino UNO ,are dimensiuni mult mai mici, este usor de programat și oferă aproape aceleași facilitați pe care le ofera placa Arduino ,singura diferenta este la tensiunea de alimentare fixa de 5V fata de Arduino care se alimenteaza la 7-12 V .

Reduino Core se poate folosi pentru exact aceleasi proiecte în care se utilizează Arduino UNO. Reduino Core dispune de 13 pini digitali si 8 pini analogici .Are exact același microcontroler pe placă ca și Arduino UNO, orice cod scris pentru Arduino UNO va funcționa fară nici un fel de modificare și pe Reduino Core.Utilizarea cea mai des întalnită pentru Reduino Core este aceea de a o include in proiectul final. Se dezvoltă codul sursa folosind Arduino UNO, și după ce este testat si merge bine se poate scrie pe Reduino Core pentru a putea fi inclus in proiectu final.  

Placa Reduino este perfect capabila sa interactioneze cu: motoare de curent continuu / pas cu pas ,servomotoare, senzori,, module GSM / GPRS / GPS, afisaje LCD, module wireless sau WiFi.

Programarea

Cel mai simplu mod de a programa placa Reduino Core este de a utiliza o placa Arduino UNO pe post de programator .Se urcă codul pe placa Arduino UNO se utilizează "ArduinoISP" (mediul Arduino, File -> Examples), și se conectează Reduino Core în placa Arduino UNO V3 ca în foto .

Scrierea codului.

Etapele de scriere al codului sunt:

1. Se urcă codul pe Arduino UNO "se utilizează ArduinoISP" din File -> Examples

2. Conectare placa Reduino Core în Arduino UNO

Se folosesc doua fire ă pentru alimentarea placii din Arduino:

-pinul GND din placa Reduino Core se conectează cu pinul GND Arduino UNO

– pinul 5V Reduino Core se conectează cu pinul 5V Arduino UNO.

3. Din meniul Tools -> Programmer, se selectează "Arduino as ISP"

4. Din meniul Tools, selecteaza "Burn Bootloader"

Este necesar acest pas o singura dată, cand se folosește pentru prima data Reduino Core, Acest pas este necesar pentru a seta fuse-biții pe microcontroller-ul Atmega328.

Se încarcă în mediul Arduino codul care vrem să ruleze pe Reduino Core, și se alege din meniul File optiunea "Upload Using Programmer".

Pentru a o include în proiectul final, se scoate placa Reduino Core din Arduino UNO, și se alimentează cu 5V. 

Arduino UNO V3 permite alimentare in 7.5V si 12 V, in timp ce placa Reduino Core necesita 5V pentru alimentare. 

Pentru alimentarea placii se poate folosi un regulator cu 7805 sau un alimentator fix de 5V, sau orice acumulator reincarcabil cu tensiunea maximă 5V . 

Pinii I2C sunt în aceeasi poziție ca și la placa Arduino UNO;

-pinul SDA este pinul analogic A4.

-pinul SCL este pinul analogic A5.

Specificatii Reduino Core

Microcontroler: ATmega328

Tensiune de lucru: 5V

Tensiune de intrare : 5V

Tensiune de intrare (limita): 5V

Pini digitali: 14 (6 PWM output)

Pini analogici: 8

Intensitate curent de iesire: 40 mA

Memorie flash: 32 KB (ATmega328)

SRAM: 2 KB (ATmega328)

EEPROM: 1 KB (ATmega328)

Clock Speed: 16 MHz

Generatorul termoelectric

Obtinerea energiei electrice folosind efecul termoelectric se poate face in doua moduri principale: 
1.Principiul termocentrei:

Se incalzește apa pană se obține abur, iar acest abur pune în mișcare o turbina care este cuplată cu un generator electric.

Problemele acestui sistem sunt mai multe: de randament, de presiuni și temperaturi mari, de etanșeizări, uzura unor piese în mișcare ,cu toate acestea sistemul se foloseste pe scara larga in termocentrale, centrale nucleare….
2. Efectul Seebeck:

Sau efectul termoelectric direct, constă în apariția unei tensiuni termoelectromotoare într-un circuit compus din doi sau mai mulți conductori sau semiconductori ale caror contacte sunt menținute la temperaturi diferite. A fost descoperit în 1821 de fizicianul german baltic Thomas Johann Seebeck

Efectul Seeback este folosit frecvent în construcția sondelor de temperatura (termocuple) ce pot masura temperaturi destul de mari chiar pană la 1000 grade C. Generarea tensiunii cu efectul Seebeck este un proces mai greoi din punct de vedere al randamentului si al raportului dintre tensiune-pret , avand un ramdament și un preț prea mare, dar care în ultima vreme datorita avansului tehnologiei a inceput sa fie rezolvat.

Sau realizat mai multe experimente folosind efectul Seebeck cu ajutorul acestuia putand aprinde un bec electric , s-a putut alimenta un aparat de radio dar fară a avea un randament ridicat ducand la renuntare de moment la acest mod de realizare a energiei electrice.S-au obtinut rezultate dar costurile erau destul de mari si de aceea s-a folosit acest efect mai mult in industria spatiala si militara.

Datorita avansul tehnologic , pentru iluminat folosindu-se LED-uri cu randamente ridicate a dus la o revenire la efectul Seebeck . Exista deja LED-uri accesibile ca preț cu un randament de 90 lumen/W în comparație cu un bec incadescent obișnuit de 15 lumen/wat.

Datorita economiei de piață și a avansului tehnologic s-au construit module ce au devenit accesibile ca preț și care pot genera suficientă energie pentru cazuri de urgență. Randamentul de conversie al energiei termice în energie electrică ramane destul de scazut, intre 4 si 5%,  fața de 15-17% cât se pot obține în panourile fotovoltaice comune.
Un modul obișnuit are o putere în jur de 4w la o dimensiune de 40/40mm și o grosime de 3,4 mm. Costul pentru un astfel de modul ajunge și la 100$, insa datorita dezvoltări tehnologiei costurile au incepul sa scadă destul de mult.

La un generator termoelectric obținerea energiei electrice se face prin menținerea unei diferențe de temperatură cât mai mari între cele 2 fete. De obicei fața calda nu trebuie sa depaseasca o temperatura limita intre 200 si 300 de grade C, iar fața rece sa nu depaseasca temneratura mediului ambient de regulă 25 de grade C ,ar fi bine sa fie cât mai rece. O problemă se pune, câtă energie consumi, ca să pastrezi această față căt mai rece, este un compromis cost/eficienta.Avănd un randament in jur de 4% pentru o putere de 4wati, este necesara trecerea prin modul a unei cantitati de 100 w de caldura, ceea ce nu este deloc usor.

Avantajele modulelor sunt totuși importante: nu au parți în mișcare, nu fac zgomot, nu necesită întreținere iar durata lor de functionare neintreruptă poate ajunge pană la 25 ani.

Un alt avantaj major este ca nu conteaza diferența de temperatura intre cele 2 fete, chiar daca este foarte mica el tot produce curent electric. Dacă modulul se alimentează cu energie electrică atunci modulul functionează în acelasi fel ca și pompa de caldura efectul Peltier, și atunci o față devine rece iar celaltă caldă. Daca se aplica o diferenta de temperatura între cele 2 fețe atunci modulul produce curent electric folosind efectul Seebeck.

Aplicatiile posibile pentru aceste module pleacă de la incalzirea directa cu gaz, cu alcool, chiar cu lemne aplicandu-se pe partea caldă a unei sobe și pană la energia geotermală sau în colectoarele solare

. Concentratoarele de energie solară se bazează mai ales pe caldura emanată de Soare dar se întamplă ca în momentul în care s-a depașit capacitatea de stocare a boilerului să apară probleme cu caldura în exces. Transformarea acestei călduri în curent electric ar fi o soluție foarte bună.

Implementarea practică al acestul modul termoelectric pe un motor cu ardere interne se poate realiza prin introducerea modelului din fig 1 pe galeria de evacuare a motorului auto.

Fig1.

Sisteme de răcire termo-electrice

Sistemele de răcire termo-electrice sunt cunoscute și sub denumirea de „sisteme de răcire – TEC”. Efectul Peltier a fost descoperit în 1834 și este invers efectului Seaback, de aceea unii vorbesc despre efectul Seebeck-Peltier. 

Efectul Peltier constă în degajarea sau absorbția de caldura la joncțiunea dintre doi conductori diferiți metal sau semiconductor, când prin aceasta circulă un curent electric.

 Efectul Peltier  este folosit în ultima vreme în construcția  gentilor frigorifice deoarece prin alimentarea cu curent electric scoate caldura dintr-o incinta si o transfera in afara.

Un modul termolectric este format dintr-un aranjament de semiconductori de tip „p” și „n”. În interiorul modulului, semiconductorii sunt conectați din punct de vedere electric în serie iar din punct de vedere termic sunt aranjați în paralel. Structura astfel formată este prinsă între două plăci ceramice.

Fig.2.1

Semiconductorii de tip „p” au în componență atomi care conțin pe ultimul strat mai puțini electroni decât ar fi necesar pentru a completa legăturile în cadrul structurii cristaline. În momentul în care ansamblului i se aplică o tensiune electrică există tendința ca electronii liberi de sarcină să completeze electronii lipsă de pe ultimul strat. Atunci când electronii liberi migrează să completeze legăturile cristaline, o parte dintre atomii rețelei de pe ale căror ultim înveliș electronii au migrat, fac ca aceștia să capete valența pozitivă pentru un timp. Această permanentă mișcare a electronilor cu scopul de a completa spațiile rămase libere generează ceea ce în fizică poartă denumirea de curent electric.

Deplasarea electronilor în conductorii de cupru se realizează mult mai repede și mai usor decât în semi-conductori. Trecerea la un nivel energetic superior este posibilă printr-un aport de energie termică care se realizează atunci când electronii părăsesc semi– conductorul de tip „p” și intră în cupru pe „suprafața rece” trecând la un nivel energetic superior. La capătul opus electronii din cupru aflați la „capătul cald” se deplasează în semiconductorul de tip „p” trecând la un nivel energetic scăzut eliberând astfel energie termică. Ideea generală a procesului este că energia termică este în permanență captată „la suprafața rece” a semiconductorilor „n” și „p”, și în permanență disipată la „suprafața caldă” a modulului.

Caracteristicile termofizice ale modulelor de răcire termoelectrice Avantajul modulelor termoelectrice față de sistemele de răcire cu compresie mecanică este constituit de faptul că nu necesită părți în mișcare sau agenți intermediari freon sau apă, din acest punct de vedere sunt considerate a nu avea implicații negative asupra mediului.

Fig.2.2

Modulele de răcire termoelectrice sunt ideale pentru răcirea componentelor microelectronice sensibile la vibrații. Pentru aplicațiile obișnuite, acestea necesită un volum redus de instalare. Capacitatea acestor sisteme de a răci sau a încălzi printr-o simplă inversare a polarității este necesară pentru aplicații unde este nevoie atât de răcire cât și de încălzire sau unde controlul exact al temperaturii reprezintă un criteriu (+/- 0,0003°C).

Majoritatea componentelor termo-electrice funcționează în limite normale până la o diferență maximă de temperatură între cele două suprafețe de schimb de căldură de maxim 60°C, și la mai puțin de 45°C diferența de temperatură între componentul necesar a fi răcit și mediul ambiant. Pentru obținerea unor temperaturi foarte scăzute modulele termo-electrice se grupează în cascadă unul peste altul, fiecare dintre module răcind suprafața caldă a modulului inferior. Cu cât numărul pachetelor suprapuse crește cu atât diferența de temperatură crește. Există și un dezavantaj al acestei soluții prin faptul că este redusă capacitatea termică a sistemului de preluarea a sarcinii termice. Temperatura maximă a mediului ambiant la care sistemul funcționează este limitată la 50°C pentru modulele echipate cu suprafața de schimb de căldură și ventilator.

Efectele termoelectrice se manifestă, de regulă, la contactul dintre materiale conductoare sau semiconductoare de naturi diferite și constau în apariția unei tensiuni termoelectromotoare efect Seebeck, când se stabilește un gradient de temperatură dintre materialele aflate în contact sau apariția unei diferențe de temperatură, efect Peltier, când prin aceste joncțiuni circulă un curent electric. Aceste efecte au mare importanță din punct de vedere practic la construcția de senzori de temperatură sau sisteme de răcire termoelectrică. Aceste efecte sunt cu câteva ordine de mărime mai intense în semiconductori decât în metale.

Răcitorul termoelectric este un dispozitiv semiconductor ce utilizează efectul Peltier. Structura simplificată a unui astfel de dispozitiv arată ca în fig.2.3.

Fig.2.3 Element de răcire cu efect Peltier

Funcționarea unui element de racire Peltier este asemănătoare cu cea a frigiderului Joule-Thomson cu deosebirea că în locul gazului comprimat ce suferă destindere adiabatică, în acest caz electroni și goluri care se comportă precum un gaz. Densitățile de dopare din elementele semiconductoare variază de la o valoare maximă în zona fețelor fierbinți, la o densitate mică în zona fețelor reci.

Un curent electric este aplicat conexiunii serie de elemente semiconductoare de tip n și de tip p astfel încât purtătorii de sarcină (electonii în n și golurile în p) se vor mișca în același sens, așa cum se vede în Fig. 1, din zonele cu densități mari de dopare spre cele cu densități mici de dopare. Aceasta face ca acest flux de electroni ce ajunge în zona de dopare slabă să sufere un proces de destindere adiabatică similară celei unui gaz obișnuit ducând la scăderea temperaturii lui.

Același proces il va suferi și fluxul format din goluri.

Pentru a mări eficiența unui asemenea proces, se leagă în serie mai multe elemente de tipul celui prezentat în fig 2.3 astfel încât fețele calde și cele reci sa fie în contact termic, așa cum este prezentat în fig. 2.4 unde este ilustrată o baterie de elemente Peltier.

Prin urmare un asemenea dispozitiv poate fi privit ca o placă de o grosime d ce transportă căldura de la fața rece, de temperatură Tr, la cea caldă, de temperatură Tc.

Când un curent electric curge printr-un circuit compus din două conductoare de naturi diferite, va fi eliberată căldură la o joncțiune și absorbită la cealaltă în funcție de sensul în care curentul curge. Cantitatea de căldură eliberată în unitatea de timp este proporțională cu curentul I:

(1)

unde Π este coeficientul Peltier, α este coeficientul Seebeck iar T este temperatura absolută din acea zonă, Fig. 2.5.

Pe de altă parte, dacă un curent, I, curge de-a lungul unui conductor omogen, pe direcția unui gradient de temperatură, , căldura ce va fi absorbită sau cedată va fi exprimată prin:

(2)

unde τ este coeficientul Thomson.

Sensul de transfer a căldurii depinde de semnul coeficientului Thomson, de sensul curentului și de semnul gradientului de temperatură.

Scriind ΔT=Tc-Tr, se obține pentru capacitatea de răcire a pompei pe fața rece expresia:

(3)

iar pentru capacitatea de încălzire a pompei pe fața caldă, expresia:

(4)

Luând în considerare Fig. 3 și balansul puterilor, se obține pentru puterea electrică furnizată de către sursa de alimentare expresia:

În realizarea aplicațiilor atât în realizarea generatorului termoelectric cât și în cea de reglare a temparaturii se folosesc urmatoarele blocuri;

1-CAN-convertor analog –numeric

2-PWM- modulare in durata de impulsuri

Sisteme de control digital

Majoritatea aplicațiilor de control actuale sunt bazate pe calculator. În acest caz, un calculator sau un microcontroller este folosit pentru funcția de control (de reglare). Un sistem de control bazat pe calculator este prezentat în figura de mai jos;

În acest caz s-a presupus că semnalul de eroare este analog, iar pentru transformarea în format digital se folosește un convertor analog-numeric (CAN). Convertorul eșantionează periodic semnalul, convertind apoi eșantioanele în cuvinte numerice ce sunt procesate de calculator. Calculatorul rulează un algoritm de control (o bucată de soft) pentru implementarea acțiunilor cerute, astfel încât ieșirea instalației răspunde conform cerințelor. Ieșirea calculatorului este un semnal digital, convertit într-un semnal analogic prin utilizarea unui convertor numeric-analogic (în mod obișnuit operația convertizorului este aproximată printr-o funcție de transfer de tipul ZOH – extrapolator de ordinul zero).

Majoritatea microcontrollerelor actule includ convertoare A/D și D/A pe același cip. Astfel, microcontrollerele sunt conectate direct la semnalele analogice ale instalației.

Există și alte variante ale sistemului de control digital. În figura de mai jos, referința este citită de la tastatură sau este inclusă în algoritmul de control. Ieșirea senzorului este convertită în format numeric folosind un convertor analog-numeric, iar semnalul numeric rezultant este trimis către calculator pentru determinarea erorii și implementarea algoritmului de control.

Convertoare analog numerice-CAN.

CAN de urmărire CAN-ul de urmărire conține un comparator, un numărător și un CNA. Comparatorul realizează comparația dintre tensiunea de intrare și tensiunea de ieșire a CNA-ului. Dacă intrarea este mai mare decât tensiunea CNA-ului, atunci numărătorul se incrementează, dacă intrarea este mai mică decât tensiunea CNA- ului, atunci numărătorul se decrementează.

Numărătorul va începe să numere de la zero și se va incrementa la fiecare puls al ceasului până când va transmite valoarea binară ce reprezintă tensiunea de intrare. După această fază, ieșirea comparatorului va comuta, iar numărătorul se va decrementa. Eventual, numărătorul va oscila în jurul valorii ce reprezintă tensiunea de intrare.

Conversia unei tensiuni de intrare de 0.37V pentru CAN-ul studiat este reprezentată în figura următoare:

Viteza maximă a unui CAN de urmărire depinde de întârzierea de propagare a comparatorului și a CNA-ului.

În general, astfel de CAN-uri sunt utilizate atunci când semnalul de intrare se modifică lent relativ la perioada de eșantionare.

CAN-ul flash este cel mai rapid CAN existent. Un astfel de dispozitiv are un comparator la fiecare pas de tensiune. Astfel, un CAN pe 4 biți va avea 16 comparatoare, unul pe 8 biți va avea 256 de comparatoare, s.a.m.d. O intrare a tuturor comparatoarelor este conectată la intrarea ce trebuie măsurată. Celelalte intrări ale comparatoarelor sunt conectate la un lanț de rezistențe. Toate ieșirile comparatoarelor sunt conectate la un circuit logic ce determină ieșirea pe baza stării comparatoarelor (high sau low). Viteza de conversie a unui CAN flash este dată de suma întârzierilor comparatoarelor. CAN-urile flash sunt foarte rapide, dar necesită un consum mare de putere

CAN cu aproximare succesivă

Acest tip de CAN este similar cu cel de urmărire. Diferența dintre cele două este că registrul aproximărilor succesive realizează o căutare binară în locul numărării.

Conversia unei tensiuni de 3 V este prezentată în figura următoare:

CAN integrator

Acest tip de CAN folosește un integrator în serie cu un comparator și un circuit logic. Intrarea integratorului este comutată prima la semnalul de intrare, iar ieșirea integratorului se încarcă prin intermediul tensiunii de intrare. După un anumit număr de pași, intrarea integratorului este comutată la un semnal de referință (Ref. 1), iar integratorul se descarcă prin intermediul acestei valori. La apariția unei comutări a tensiunii de referință (Ref. 1), este pornit numărătorul, care va număra folosind același ceas ce determină timpul de integrare. Atunci când ieșirea integratorului scade sub un al doilea semnal de tensiune (Ref. 2), ieșirea comparatorului va fi high, numărătorul se oprește, iar numărul reprezintă tensiunea analogică de intrare.

Tensiunile de intrare mari vor permite integratorului să se încarce la o tensiune mai mare, având ca efect direct o numărare mai mare la ieșire.

Acest tip de convertor are nevoie de un timp relativ mare pentru realizarea conversiei, dar acțiunea de filtrare introdusă de integrator elimină zgomotul.

Convertoare numeric-analogice –CAN.

În multe situații nu este de ajuns ca un microcontroller să măsoare semnale analogice, dar să și genereze astfel de semnale. În cazul echipamentelor industriale controlate prin semnale analogice, sistemul microcontroller trebuie să fie capabil să genereze semnale analogice cu amplitudine controlată pentru a comunica cu aceste echipamente.

O modalitate de a realiza această sarcină este utilizarea unui timer PWM. Prin aplicarea unui semnal PWM la un filtru trece-jos, va rezulta un semnal de ieșire ce are amplitudinea Vout = K x VM, unde VM este amplitudinea semnalului V , iar K este factor de umplere (duty cycle).

Există o mare varietate de CNA-uri, de rezoluții diferite, timpi de conversie diferiți, sau modalități diferite de transmitere a rezultatului (serial sau paralel). Majoritatea CNA-urilor funcționează după același principiu: divizarea curentului cu o rețea de rezistențe.

În figura următoare se prezintă un CNA pe 4 biți

Amplificatorul operațional lucrează astfel

încât potențialul celor două intrări este identic. Prin urmare, rețeaua lucrează ca și când toate rezistențele 2R, au un capăt conectat la masă. Rezistența echivalentă a sarcinii Vref este constantă și egală cu R.

Cuprinsul Lucrarii

Generatorul termoelectric

Efectul termoelectric a fost descoperit în 1822 de către Seebeck, care a observat un flux electric când au fost sudatea două metale diferite, a fost încălzita o joncțiune în timp ce celălalt a fost menținut la o temperatură mai mică .

Efectul Seebeck constă în apariția unei tensiuni electromotoare într-un circuit compus din două metale diferite ale căror joncțiuni sunt menținute la temperaturile T2 T1 (figura 3.1).

Figura 3.1

Se constată experimental că tensiunea electromotoare care apare la bornele circuitului este proporțională cu diferența de temperatură a contactelor, coeficientul de temperatură AB numit forță termoelectrică diferențială, depinzând de tipul materialelor. Pentru diferențe mici între temperaturile T1 și T2, tensiunea electromotoare se scrie:

(1)

Deoarece AB depinde în general de temperatură, tensiunea electromotoare care se măsoară este integrala expresiei (1) adică:

(2)

Apariția diferenței de potențial între cele două metale conectate ca în figura 3.1 se poate explica fizic în felul următor. Dacă materialul A este un semiconductor, în regiunea cu temperatură mai mare concentrația purtătorilor de sarcină este mai mare, ceea ce duce la difuzia acestora spre regiunea mai rece, care se încarcă negativ sau pozitiv după semnul sarcinilor purtătorilor. Câmpul electric care ia naștere se va opune creșterii nelimitate a sarcinii în zona mai rece, ajungându-se în final la un regim staționar.

Tensiunea electromotoare staționară este mărimea cu ajutorul căreia definim forța termoelectrică a materialului respectiv, definită ca tensiunea electromotoare pe grad (exemplu mV / K).

În lucrarea de față cele două materiale sunt metale. Prin gruparea lor prin inseriere pentru o tensiune mai mare , cât și prin punerea lor în paralel pentru un curent de iesire cât mai mare se realizeaza elementul termogenerator , în cazul de studiat TEP1-142T300.

În cazul metalelor, spre deosebire de semiconductori, concentrația de purtători nu variază cu temperatura, iar difuzia purtătorilor este determinată de diferența de energie la cele două temperaturi. Pentru domenii limitate de temperatură se poate scrie:

(3)

unde în cazul metalelor: (4)

– k: constanta lui Boltzmann;

– e: sarcina electronului;

– T: temperatura;

– r: un factor care depinde de mecanismul intern al conducției electronice

-EF: este energia nivelului Fermi al metalului.

Caracteristicile modulului termoelectric

Modulul termoelectric pe care l-amutilizat este un produs China.

Specificații:

Denumire: TEP1-142T300.

Dimensiuni: 40 mm x 40 mmx3.4mm

Tensiunea in circuit deschis: 7.4 V.

Rezistența internă: 3 X.

Partea rece:20 ° C

Partea fierbinte:250° C

Tensiunea de iesire in sarcina: 5 V.

Curentul de iesire in sarcina: 0.5A.

Puterea in sarcina: 2.5 W.

Fluxul de caldura pentru modul:100W

Densitatea fluxului de căldură: 8 W/cm2.

Realizarea modulului thermoelectric

În acestă lucrare am proiectat și am construit un generator termoelectric , un model care simuleaza o realizare practică pentru implementarea acestuia pe un motor auto , acest modul atașându-se pe o zonă a motorului care disipă temperatura necesară pentru buna funcționare al elementului generator .

O zonă cu temperatura ridicată a motorului este cea de evacuare a gazelor arse , între motor și galeria acestuia.Modulul de realizare poate fi realizat practic ca în figura 2.1 din capitolul Noțiuni introductive.

Pentru a simula caldura degajată de motorul auto am utilizat un încalzitor electric care furnizează energie termică necesară părți fierbinți a modulului termoelectric.

Pentru partea rece a elementului termoelectric, am utilizat un radiator la care am atasat un ventilator electric util pentru a menține o temperatură căt mai mică asupra acesteia.

Caracteristicile electrice ale TEP1 142T300 au fost testate la mai puncte de temperatură a parți ferbinți la 100°C, 120°C,140°C,160°C 180°C,200°C, și menținerea temperaturii parții reci la o temperature aproape de valoarea de 30 °C cu ajutorul ventilatorului atașat parți reci , respective testarea la aceleasi temperature ale partii ferbinți dar în cazul în care nu punem controla fața rece și depinde aceasta numai de temperatura mediului ambient , fara a mai utiliza pentru racirea feței reci a ventilatorului , rezultatele sunt prezentate în graficele din figurile 3.2 respectiv tabelele 1 și2.

Figura 3.2 Tensiunea de ieșire în funcție de fața fierbinte al TE.

Tabel 1-Ventilatorul de racire funcționează.

Tabelul 2.Ventilatorul de racire nu funcționează.

Se observă că cu ∆T este mai mare cu atăt si tensiunea de ieșire este mai mare , respectiv in cazul incare fața rece se mentine la o temperatura cât mai mică.

Am conectat un reostat la modulul termoelectric ca sarcină și am măsurat la rezistențe diferite tensiunea și curentul de ieșire în funcție de temperatura feței fierbinți a elementului termoelectric ,grafic prezentat în figura 3.3.

Fig 3.3 Tensiunea de ieșire în funcție de sarcina rezistivă.

Funcționarea de bază a principiului convertorului DC-DC cu LTI 1871

Convertorul DC-DC poate genera tensiuni mai mari decât tensiunea de intrare cât si mai mici decat aceasta.. Curentul de intrare este constant, dar curentul de ieșire variază in funcție de rezistenta de sarcina , implicit puterea acestuia de ieșire conform graficelor din figura 3.4 respectiv 3.5.

Fig. 3.4. Curentul de ieșire modulului TE în raport cu rezistența de sarcină iar parte rece are 40 °C

Fig. 3.5. Puterea de ieșire modulului TE în raport cu rezistența de sarcină iar parte rece are 40 °C.

Simulare sistem

Valoarea rezistorului este rezistența internă a puterii TE-generatorului. Din Fig. 3.6, procedura de testare este conectarea modulului TE , energie termică de intrare la partea fierbinte a modulului TE, de măsurare a tensiunii în circuit deschis , trecerea pe S1 pentru conectarea RL încircuit și măsurarea curentului de sarcină (IL). Apoi, rezistența internă a puterii TE-generator este calculat prin:

Fig 3.6 Metoda de testare a Rint a modulului TE.

unde Voc este tensiunea circuit deschis, curentul de sarcină este IL, RL este rezistența de sarcină și Rint este rezistența internă .

Puterea de ieșire a convertorului DC-DC încarcă bateria 2.5 W.

Schema bloc al generatorului termoelectric este prezentata in fig 3.7 .

F

Fig 3.7 Schema bloc TE.

Experimentare și rezultate

Un prototip al unui sistem TE încărcător de baterie a fost dezvoltat și testat în laborator conform foto 5 din anexa 1.

. Temperatura a fost măsurată folosind termocuple de tip K. Termocuplurile tip K au fost montate doar sub placa de incalzire (foto 4 din anexa 1), precum și legarea TE la convertorul DC-DC realizat cu LTC1871 .

Datele obținute au fost înregistrate și introduse într-un fisier Excel pentru realizarea graficelor.

Procedurile experimentale este următoarea:

Se porneste sursa de alimentare pentru a alimenta sistemul de încălzire.

. Sistemul începe să funcționeze la temperatura mediului ambiant.

Generatorul TE incepe să producă o tensiune datorită creșteri temperaturii părți fierbinți , alimentînd intrarea convertorului DC-DC la ieșirea caruia este conectat ventilatorul de racire care este aplicat pe partea rece a radiatorului.

După 30 sec. tensiunea generate de TE depasește pragul de 3.5V necesară convertorului DC-DC pentru a incepe sa funcționeze si a furniza la iesire o tesiune stabilită,fiind un convertor ridicator de tensiune.Tensiunea aleasa este 12 V.

Începe înregistrarea tuturor datelor. Transferul maximum la bateria este 2,5 W

Se conecteza la ieșirea convertorului ca sarcina un modul led 12V/0,4A, si se vizualizeaza tensiunea de ieșire pe afisajul convertorului la mai interval de timp respective temperature diferite ale feței fierbinți.

Conectarea ieșirea convertorului DC-DC la o baterie.

Se procedează ca la punctual 6 observându-se faptul ca tensiunea afișată ramane constantă chira dacă conectăm modulul led.

Sistemul de operare poate porni, cu toate că tensiunea generatorului este mai mică decât tensiunea bateriei.

Concluzie

Avantajul sistemului baterie încărcător TE folosind MPPT este că sistemul poate încărca bateria cu ajutorul energiei termice direct, și nu au piese în mișcare. Acesta poate fi aplicat la dispozitive de încălzire: cum ar fi un bucătar-aragaz, un boiler sau o altă sursă de căldură pentru recuperarea de căldură reziduală. Acest sistem este cel mai posibil de a utiliza într-o comunitate rurală sau o zonă de la distanță. Sistemul fotovoltaic Ofera energie electrică în timpul soare, în timp ce încărcătorul TE Asigură alimentarea sistemului, atâta timp cât dispozitivul de încălzire este în uz. Cea mai bună puterea sistemului depinde de disiparea căldurii radiatorului. Cu toate acestea, proiectarea sistemului poate fi îmbunătățită prin reproiectarea schimbătorul de căldură (receptorul de căldură și radiator) adecvată la temperatura ambiantă.Scopul hârtie esta este de a furniza o nouă metodă de generare a energiei electrice; s-ar putea să nu fie economic la început, dar rezultatele obținute aici poate stabili un fundament pentru investigații suplimentare de TE sisteme încărcător.

CONVERTORUL DC-DC

Modulul convertor LTC1871 pe care l-am achzitionat si utilizat este un produs China. Prezentarea de ansamblu si cablajul imprimat sunt prezentate in Anexa 1

Prezentare Convertor LTC1871

1- intrare gama de tensiune: 3.5-30V Notă: 30V limita maximă de tensiune pentru a evita deteriorarea accidentală. 

2 -ieșire gama de tensiune: 3.5-30V (tensiunea de intrare trebuie să fie mai mică sau egală cu tensiunea de ieșire). 

3- Curent de intrare: 6A Putere de ieșire maximă de 10A: 100W. 

4 -Precizia voltmetru: ± (5% ). 

5-Consum in gol: 15mA tipic (+ curentul consumat de voltmetru cind e aprins). 

Caracteristici: 

1: tensiunea intrare și de ieșire pot fi afișate alternativ. 

2: voltmetru se poate porni sau opri si pot fi definite în mod liber. 

Funcționarea și descrierea afișaj digital: 

[0] reprezintă iesirea default si afișeaza tensiunea de ieșire 

[1] reprezintă intrare default si afișeaza tensiunea de intrare 

[2] seteaza afisare alternativa intrarea si iesirea

Test de date (cu voltmetru pornit)si cu sursa de alimentare reglabila: 

Climatizare auto

Placa utilizata in realizarea acestei lucrai este ARDUINO UNO cu ajutorul careia scriem codul pentru a folosi in aplicatie placa de dezvaltare REDUINO CORE.

Arduino UNO  este o platforma de procesare open-source, bazata pe software si hardware flexibil si simplu de folosit prezentată în anexa2. Consta intr-o platforma de mici dimensiuni (6.8 cm / 5.3 cm – in cea mai des intalnita varianta) construita in jurul unui procesor de semnal si este capabila de a prelua date din mediul inconjurator printr-o serie de senzori si de a efectua actiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoare, si alte tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul este capabil să ruleze cod scris intr-un limbaj de programare care este foarte similar cu limbajul C++. 

Are un procesor, kilobyte de memorie cu acces aleator (RAM) pentru deținerea de date, kilobytes de memorie care poate fi ștearsă programabilă numai pentru citire (EPROM) sau memorie Flash pentru deținerea programele noastre, si are intrare și de ieșire pini. Aceste pini de intrare / ieșire sunt ceea ce se leagă microcontroler pentru restul de electronice noastre.

Caracteristicile modulului Peltier

Imax(A)- 9A

Vmax(V)- 15,4V

Qcmax( W)- 90W

Modulul achizitionat este un element cu efect termocoler fabricat în China, care se foloseste pentru lăzile de răcire auto (frigidere auto), dezumidificatoare de aer, dozatoare de apa cu racitoare de apa (unde consumul e mic), etc. Alimentarea se face cu tensiune continua redusa, tipic 12V.

Modul de realizare practice este in figura
 3.2.2 Realizarea climatizarii auto

TEC sunt realizate dintr-o serie de blocuri p-și n-tip semi-conductoare, care prezintă fluxul de dezechilibrată a purtătorilor de sarcină și, prin urmare a diferenței de temperatură la cele două părți. Dacă partea fierbinte este atașat la un radiator, temperatura partea rece poate fi la nivelul coborîtă la tempetaturi ce scad chiar și sub 0° C .

?????????????????

TEC1-12705 data

.

Realizarea practica a climatizării auto

Schma de principiu este executată cu programul PROTEUS 8 și este prezentata in anexa 2 .

Cercetare

Chiar si cel mai eficient motor din punct de vedere al arderii converteste doar o treime din energia combustibilului in putere care serveste la propulsia automobilului. De aceea BMW intentioneaza sa foloseasca un generator termoelectric care preia caldura pierduta si o converteste in putere electrica.

Celelalte doua treimi din energie se pierd prin intermediul caldurii disipate in mediul inconjurator, facand automobilul o sursa de pierdere de caldura. Acest lucru insa ofera un imens potential pentru o reducere ulterioara a emisiilor de dioxid de carbon, lucru pe care inginerii grupului BMW cauta sa-l obtina prin folosirea noilor solutii sau a conceptelor noi. Generarea puterii electrice in motorul de automobil este un proces in lant, subiect pentru pierderi semnificative. Foarte simplu, din cauza ca energia chimica continuta in combustibil este initial convertita in energie mecanica si apoi, via unui generator, in energie electrica.

Acum BMW scoate putere si din caldura risipita cu acest generator termoelectric. Inginerii grupului BMW lucreaza la o tehnologie capabila sa converteasca energia termica continuta in gazele de evacuare direct in energie electrica. Un generator termoelectric recupereaza energia pierduta prin intermediul unor elemente semiconductoare si genereaza electricitate. Acest generator termoeletric este deja folosit de mai multe decenii de NASA, de US Space Agency, la misiunile lor din spatiu. Pana acum cativa ani, un generator termoelectric de acest fel numit (TEG) era incompatibil cu uzul in automobile din cauza nivelului redus de eficienta. De cand cu progresul semnificativ inregistrat de stiinta materialelor, performanta acestui generator termoelectric a crescut semnificativ. 

Un generator termoelectric in parteneriat cu Brake Energy Regeneration 

Pentru a genera putere electrica in automobil, un generator termoelectric este integrat in colectorul de evacuare. Un astfel de generator termoelectric este capabil sa genereze o putere de maximum 200 W, insa progresul rapid in cercetarea materialelor urmareste ca un singur generator termoelectric sa genereze 1000 W, solutia devenind astfel fezabila.

Acest sistem cu generator termoelectric ofera de asemenea efecte aditionale cum ar fi alimentarea motorului sau a sistemului termic cu un plus de caldura la pornirea cu motorul rece. Astfel un astfel de generator termoelectric este un partener ideal pentru tehnologia Brake Energy Regeneration, una dintre caracteristicile programului BMW EfficientDynamics.

In timp ce Brake Energy Regeneration serveste la furnizarea de energie in decelerare si la aplicarea franelor, un generator termoelectric ofera beneficii cand rulajul este o placere, cand demarezi si savurezi puterea automobilului. Pe viitor generatoarele termoelectrice vor fi capabile sa induca o economie de combustibil de peste 5%,in conditii de condus reale, orientate catre client.

Concluzii

Contribuții proprii

Generatorul termoelectric si termocooler

Contribuțiile proprii ale autorului care constituie părți integrante ale prezentei:

– analiza sistemelor de generare a energiei electrice folosind componente de tip TEG (thermoelectric generator) in cazul de față TEP.

– analiza premiselor de calcul pentru modele analitice ale fenomenelor de transfer de căldură în elemente TEP prezentate în ultimii ani în lumea academică;

– proiectarea și realizarea unei instalații termoelectrice pentru răcirea interiorului autovehiculului;

– realizarea standului instalației experimentale capabile să realizeze puteri electrice 2.5W, utilizând element termoelectric;

– determinarea parametrilor termodinamici ai instalației frigorifice experimentale;.

– realizarea unui studiu comparativ al modelelor de calcul pentru determinarea analitică a puterii termice al instalației experimentale

– validarea unui model de calcul verificat de datele experimentale înregistrate ale instalației experimentale.

– propuneri de optimizare ale performanțelor instalației experimentale în urma simulărilor analitice realizate.

Concluzii rezultate în urma analizei bibliografice

Elementele termoelectrice atat cele Seebeck cât si cele Peltier sunt elemente deosebit de elaboarate și compleze care necesită o tratare adecvată din punct de vedere termic. Performanțele elementele termoelectrice care au în structură componente microelectronice care depind de buna funcționare a sistemelor auxiliare conexe care au rolul de a disipa densitatea de flux termic generată.

Densitatea de flux termic generată pe elementele termoelectrice depinde de natura constructivă a acestora și de modul de operare și gestionare a informației, unde se desting variații foarte mari dar în interval de timp de ordinul milisecundelor. În dimensionarea sistemelor de răcire se poate considera o distribuție uniformă a densității sarcnii termice pe suprafața acestor echipamente.

În prezent limitele de lucru pentru elementele termoelectrice au ajuns la valori de până la 125°C in privinta celor Peltier si valori de pana la 300-400°Cin cazul celor Seebeck. În prezent pentru aplicații standard temperaturile de funcționare ale acestor echipamente sunt recomandate să se încadreze la valori cuprinse între 25 ÷40°C la elementele Peltier partea ce disipează caldura si 250-300°C partea fierbinte în cazul elementelor Seebeck .

În urma documentației studiate reiese faptul că sistemele de răcire prezentate de către diverse companii nu reușesc să îndeplinească cerințele viitoare estimate de către organismele internaționale de standardizare (ITRS) elemente termoelectrice. Singurele sisteme de răcire care în acest moment sunt pe piața de profil sunt reprezentate de sistemele clasice de răcire.

Sistemele de răcire cu aer prezintă o serie de dezavantaje în comparație cu sistemul frigorific propus în prezenta teză. Sarcinile de răcire sunt net inferioare celor obținutecu sisteme clasice. Sarcinile maxime obținute cu acest tip de sisteme sunt în jurul valorii de 30-40 [W]. Dezavantajele acestor sisteme sunt determinate de performanțele termice reduse și de de consumul de energie consumata în raport cu randamentul produs.

Concluzii rezultate în urma studiului experimental

Elementul TEC utilizat în instalația frigorifică experimentală nu este adecvat pentru o aplicație de acest tip. Randamentul foarte scăzut de aproximativ 5-7% reduce coeficientul de performanță real al instalației. Desi neeconomic atat elemental TEG cat si elemental TEC s-a dovedit foarte fiabil pe durata experimentelor, funcționarea sa a fost constantă iar datele experimentale înregistrate: temperatura în toate seriile de experimente prezentate nu au suferit modificări.

Intarea în regim a instalației de racire se realizează în aproximativ 10÷15 minute, iar a instalatie de realizarea energiei electrice se realizeaza in aproximativ 2 minute.

Un prim avantaj al sistemului gemerator este acela de a genera energie electrică si după ce s-a oprit sursa de ce disipă energia termică,in cazul de față motorul auto,care depinde de capacitatea de inmaganizare ea srsei respective.

Concluzii rezultate în urma analizei comparative a modelelor de calcul din literatura de specialitate

Metoda de calcul Seebeck și Peltier propusă inițial pentru determinarea parametrilor constructivi al generatorului electric si elemental termoelectric se aplică pentru valorile ridicate teperatirii,. Pentru valori inferioare temperaturii metoda de calcul înregistrează abateri de până la 50% în comparație cu datele experimentale.

Metodologia folosită pentru dezvoltarea algoritmului de calcul prezentat în teză ține cont de restricțiile impuse de modelul ulterior îmbunătățit cunoscut în lumea științifică .

Concluzii referitoare la optimizarea instalației experimentale propuse

Pentru optimizarea instalației frigorifice experimentale se poate utiliza elemente multistrat in cazul celor termoelectrice si in cazul elemente termogeneratoare a unor elemente cu un coeficient cat mai ridicat . Puterea termică în acest caz necesară a fi dezvoltată de către noul element termelectric este de 130(W), iar in cazul celor termogenerator un randamnet de 5 ori mai mare.

Tabele

Caracteristici model TEP1.

Bibliografie

[DOOM05] – Dicționarul ortografic, ortoepic și morfologic al limbii române, Editura Univers Enciclopedic, București, 2005

Referințe web

[Olt07] – Th. Olteanu, C. Albu, Ghid pentru redactarea lucrării de diplomă sau a disertației de masterat, Universitatea Română de Arte și Științe „Gheorghe Cristea”, 2007, disponibil via web la adresa http://www.ugc.ro/tpl/GHID REDACTARE DIPLOMA LICENTA.pdf

Mahmudur R, Roger S. Thermoelectric power-generation for battery charging. In: Proceedings of the IEEE conference on energy management and power delivery, vol. 1; 1995. p. 186-91.

Roth W, et al. Grid-independent power-supply for repeaters in mobile radio networks using photovoltaic/ thermoelectric hybrid systems. In: Proceedings of the 16th international conference on thermoelectrics; 1997. p. 582-5.

Min G, Rowe DM. Peltier devices as generators. CRC handbook of thermoelectrics. London: CRC Press; 1995 [Chapter 38].

Codul sursă

Climatizare auto

#include "U8glib.h"

// ecran LCD12864 cu ST7920

U8GLIB_ST7920_128X64_1X u8g(6, 5, 4 ,7); //Enable, RW, RS, RESET

// temperatură

int t1, t2;

float t10, t20;

float t11, t21;

float t12, t22;

int temperaturePin1 = A0;

int temperaturePin2 = A1;

int relay1 = 13;

int relay 2= 11:

int leda = 10;

int ledv = 9;

void subrutina0(void) {

u8g.drawFrame(0,0,127,63);

u8g.setFont(u8g_font_unifont);

u8g.drawStr( 20, 15, "Proiect");

u8g.setFont(u8g_font_6x10);

u8g.drawStr( 20, 26, " licenta");

u8g.setFont(u8g_font_5x7);

u8g.drawStr( 6, 38, "Climatizare auto");

u8g.drawStr( 20, 50, "Element Peltier");

u8g.setFont(u8g_font_6x10);

u8g.drawStr( 25, 60, "cu LM335");

}

void subrutinat1(int t101)

{

char s[2] = " ";

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(4, 15, "t :");

u8g.setFont(u8g_font_7x14);

u8g.drawStr(15, 18, "ext");

if (t101<10 & t101>0)

{

s[0]=t101+48; // transform cifrele in caractere ASCII

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(25, 32, "+0.");

u8g.drawStr(58, 32, s);

}

else

if (t101<100 & t101>=10)

{

s[0]=int(t101/10)+48;

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(25, 32, "+");

u8g.drawStr(40, 32, s);

u8g.drawStr(48, 32, ".");

s[0]=t101-10*int(t101/10)+48;

u8g.drawStr(58, 32, s);

}

else

if (t101>=100)

{

s[0]=int(t101/100)+48;

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(18, 32, "+");

u8g.drawStr(28, 32, s);

t101 = t101-100*int(t101/100);

s[0]=int(t101/10)+48;

u8g.drawStr(38, 32, s);

u8g.drawStr(48, 32, ".");

s[0]=t101-10*int(t101/10)+48;

u8g.drawStr(58, 32, s);

}

else

if (t101>-10 & t101<0)

{

t101 = -t101;

s[0]=t101+48; u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(28, 32, "-0.");

u8g.drawStr(58, 32, s);

}

else

if (t101>-100 & t101<10)

{

t101 = -t101;

s[0]=int(t101/10)+48; u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(28, 32, "-");

u8g.drawStr(38, 32, s);

u8g.drawStr(48, 32, ".");

s[0]=t101-10*int(t101/10)+48; u8g.drawStr(58, 32, s);

}

else

if (t101<=100)

{

t101=-t101;

s[0]=int(t101/100)+48;

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(18, 32, "-");

u8g.drawStr(28, 32, s);

t101 = t101-100*int(t101/100);

s[0]=int(t101/10)+48;

u8g.drawStr(38, 32, s);

u8g.drawStr(48, 32, ".");

s[0]=t101-10*int(t101/10)+48;

u8g.drawStr(58, 32, s);

}

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(70, 26, "o");

u8g.drawStr(80, 32, "C");

}

void subrutinat2(int t102)

{

char s[2] = " ";

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(4, 45, "t :");

u8g.setFont(u8g_font_7x14);

u8g.drawStr(15, 48, "int");

if (t102<10 & t102>0)

{

s[0]=t102+48; u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(25, 62, "+0.");

u8g.drawStr(58, 62, s);

}

else

if (t102<100 & t102>=10)

{

s[0]=int(t102/10)+48;

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(25, 62, "+");

u8g.drawStr(40, 62, s);

u8g.drawStr(48, 62, ".");

s[0]=t102-10*int(t102/10)+48;

u8g.drawStr(58, 62, s);

}

else

if (t102>=100)

{

s[0]=int(t102/100)+48;

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(18, 62, "+");

u8g.drawStr(28, 62, s);

t102 = t102-100*int(t102/100);

s[0]=int(t102/10)+48;

u8g.drawStr(38, 62, s);

u8g.drawStr(48, 62, ".");

s[0]=t102-10*int(t102/10)+48;

u8g.drawStr(58, 62, s);

}

else

if (t102>-10 & t102<0)

{

t102 = -t102;

s[0]=t102+48;

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(28, 62, "-0.");

u8g.drawStr(58, 62, s);

}

else

if (t102>-100 & t102<10)

{

t102 = -t102;

s[0]=int(t102/10)+48; u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(28, 62, "-");

u8g.drawStr(38, 62, s);

u8g.drawStr(48, 62, ".");

s[0]=t102-10*int(t102/10)+48;

u8g.drawStr(58, 62, s);

}

else

if (t102<=100)

{

t102=-t102;

s[0]=int(t102/100)+48;

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(18, 62, "-");

u8g.drawStr(28, 62, s);

t102 = t102-100*int(t102/100);

s[0]=int(t102/10)+48;

u8g.drawStr(38, 62, s);

u8g.drawStr(48, 62, ".");

s[0]=t102-10*int(t102/10)+48;

u8g.drawStr(58, 62, s);

}

u8g.setFont(u8g_font_10x20);

u8g.drawStr(70, 56, "o");

u8g.drawStr(80, 62, "C");

}

void setup(void) {

if ( u8g.getMode() == U8G_MODE_R3G3B2 ) {

u8g.setColorIndex(255); // white

}

else if ( u8g.getMode() == U8G_MODE_GRAY2BIT ) {

u8g.setColorIndex(3 }

else if ( u8g.getMode() == U8G_MODE_BW ) {

u8g.setColorIndex(1); }

u8g.firstPage();

do {

subrutina0();

} while( u8g.nextPage() );

delay(3000);

}

void loop(void) {

t11=0;

t21=0;

for (int x=1; x <= 5; x++)

{

t1 = analogRead(temperaturePin1);

t10 = 100.0*(5.0*t1/1023-2.980)+20.0;

t11 = t10 + t11;

t2 = analogRead(temperaturePin2);

t20 = 100.0*(5.0*t2/1023-2.980)+20.0;

t21 = t20 + t21;

delay (500);

}

t12 = t11/5.0 -5.0 ;

t22 = t21/5.0 -6.0;

float t123=10*t12;

float t223=10*t22;

{

u8g.firstPage();

do {

subrutinat1(t123);

subrutinat2(t223);

subrutinat();

} while( u8g.nextPage() );

delay(1000); }

analogWrite(leda,0);

analogWrite(relay2,0);

analogWrite(ledv,0);

if (t22<=19.0) analogWrite(leda, 255);

if ((t22>19.0) and (t22<26.0)) analogWrite(ledv, 255);

if (t22>=26.0) analogWrite(relay1, 255);

}

void subrutinat () {

u8g.drawLine(110, 5, 110, 57 u8g.drawCircle(110,60,1);

u8g.drawCircle(110,60,2);

u8g.drawCircle(110,60,3);

u8g.drawCircle(110,60,4);

u8g.drawLine(105, 40, 115, 40); // la zero grade Celsius

int tempe = 40 – int(t12/2+0.5);

u8g.drawLine(109, 60, 109, tempe

int tempi = 40 – int(t22/2+0.5);

u8g.drawLine(111, 60, 111, tempi);

u8g.setFont(u8g_font_6x10);

u8g.drawStr(117, 43, "0C");

u8g.drawStr(120, 36, ".");

}

Site-ul web al proiectului

http://www.Wikipedia.org

http://www.energielibera.net/Teste-si-verificari/generator-termoelectric-cu-module-seebeck-peltier.html

http://www.automarket.ro/stiri/bmw-prezinta-viitoarele-tehnologii-de-recuperare-a-energiei-calorice-25802.html

http://www.creeaza.com/tehnologie/constructii/instalatii/INSTALATII-FRIGORIFICE-TERMOEL528.php–-peltier

http://www.rasfoiesc.com/educatie/fizica/Conversia-termoelectrica-conve41.php

http://nicuflorica.blogspot.ro/2014/07/sistem-de-racireincazire-cu-elemente.html

http://320volt.com/50w-peltier-ile-12-volt-beslemeli-mini-buz-dolabi/

http://www.ebay.co.uk/itm/1Pcs-LTC1871-100W-3-5V-to-30V-Power-Supply-DC-DC-Step- up-Module-LED-Voltmeter-/

http://www.arduino.com

ANEXE

Anexa 1

Generatorul termoelectric.

Diagrama bloc a controlerului LTC1871

Convertor LTC 1871

Prezentarea convertorului LTC1871

Anexa 2

Climatizare auto

Foto1.Placa de dezvotare Arduino uno.

Fig.7.1 Schema de principiu climatiazare auto –partea de comandă.

Fig.7.2 Schema de principiu climatiazare auto –partea de putere.

Foto2 Partea de putere.