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綠色電源取代石英鐘干電池的實用性和可靠性

鉅大LARGE  |  點擊量:1449次  |  2019年11月14日  

電池跟我們的生活和工作息息相關,比如家庭和辦公場所用的石英鐘(指針式)一般多以5號電池作為電源。據有關資料統計,中國電池年產量約150億枚,是世界生產大國,年消費量約50億枚,也是世界消費大國,并且有日益增加的趨勢。多年來數量龐大的廢舊電池,在我國幾乎都隨垃圾一起丟棄,處理方式要么焚燒、要么填埋。


大家都知道對自然環境威脅最大的五種金屬是鉻、鎘、銅、鉛、汞,電池就占了其中的汞、鉛、鎘三種。若焚燒,污染了大氣;若填埋,污染了土壤,對農作物有害;污染了水源對水生物(魚蝦等)有害。據資料介紹:一粒小小的鈕扣電池可污染60萬升水,相當于一個人一生的飲水量;一節一號電池爛在地里,能使一平方米的土地失去利用價值,并造成永久性公害。


人離不開地球,也離不開食物。這些有毒重金屬通過各種途徑(鼻口呼吸、飲食蔬菜、魚蝦等)進人人體內,長期積蓄難以排除。醫學界已證實:汞會嚴重危害人體神經系統,尤其對兒童受害最大;鎘會引起人體骨質疏松、造成骨骼變形、骨痛等,并引起肝和腎受損;鉛進入人體后最難排泄,它干擾腎功能、生殖功能。會導致兒童行為異常和低智商等。


既然廢舊電池對人類造成的危害已成為不爭的事實,那么世界其它國家是如何處理的呢?在歐洲一些西方國家(比如德國),廢舊電池早被列為危險有毒廢物,由電池經銷商必須通過“收舊賣新”方式回收,絕不能隨便丟棄在自然界中。


在我國,盡管民間少數環保人士借鑒西方一些國家經驗,倡導廢舊電池分類收集,但由于一方面政府對廢舊電池處理沒有明確的法規,另一方面人們對廢舊電池的危害認識程度不深、重視程度不夠;對廢舊電池收集工作熱情不高、參與人數不多。文中提出了由太陽能電池板、超級電容、電荷泵(LM2788-2.0)為核心器件,設計出一款取代傳統5號電池的綠色環保節能電源,應用在石英鐘上,從源頭上避免了廢舊5號電池對環境的污染,對保護環境、守住我們綠色家園將起到積極的作用。文中以超級電容和電荷泵LM2788及太陽能電池板為核心器件,設計出一款綠色電源,應用在石英鐘上,取代傳統的干電池。經過3年時間的試用,實用性和可靠性得到了驗證。


1元件說明


電路是由太陽能電池板、超級電容、電荷泵、肖特基二極管四大核心部件構成。


(1)太陽能電池板材料為多晶硅,尺寸長60mm、寬44mm、厚3mm;輸出電參數:工作電壓5.5V、工作電流60mA、額定功率0.33W,見圖1。


(2)超級電容參數為120F/2.3V,其特點是充電快、壽命長、效率高、容量大、溫度適應性好,另外生產、使用、儲存、拆解各個環節均無污染,見圖2。



(3)電荷泵LM2788-2.0是一種8腳降壓式電荷泵DC/DC變換器。輸入2.6V~5.5V,輸出2.0V。該變換器主要特點:輸出電壓精度分別為:2.0V±5%、輸出電流可達120mA;最高轉換效率可達90%;低功耗,工作電流32μA;有關閉控制,關閉狀態時耗電僅0.1μ;有過熱及短路保護,見圖3。


(4)肖特基二極管1N5819特點是電流大(1A),壓降低(0.3V),耐壓高(40V),見圖4。



2電路工作原理


將石英鐘懸掛在室內光線明亮的地方。電路原理圖,見圖5。


白天室內光線漫射在太陽能電池板上,產生電流,經電荷泵LM2788-2.0變換后輸出2.0V的電壓;再經肖特基二極管1N5819隔離后一方面向石英鐘供電,另一方面向超級電容充電(電容兩端電壓上限為Uh=Uout-Ud1=2.0-0.3=1.7V)。晚上太陽能電池板不產生電流,超級電容存儲的電能給石英鐘供電。肖特基二極管D1的作用就是防止超級電容存儲的電能在太陽能電池板(夜間或陰天)不發電時,反向流入電荷泵及太陽能電池板。


按石英鐘國標規定:石英鐘工作電壓范圍一般在1.25~1.70V;實測石英鐘跳秒(間歇)式石英鐘平均功耗電流在125μA左右。超級電容電壓從1.7V降到1.25V時能釋放出來的電量△Q=CUh-CUL=C(Uh-UL)=120×(1.7-1.215)=54C;這些電量若按平均電流I=150μA來輸出,則需要時間t=△Q/I=54/(150×10-6)=3.6×105s=100h才能耗完。通過計算,從時間上確保了為石英鐘夜間工作備用的電能。改造后的石英鐘見圖6。


電路原理圖中所用的元件規格或型號,見表1。



3電路凸顯綠色主題


石英鐘用綠色能源的設計,緊緊抓住了綠色、環保、節能這個主題,有效解決了普通電池對人體、土壤、水源等危害。其特點如下:(1)能源的獲取是綠色的


眾所周知:太陽光可以說是出之不盡,用之不竭的。將太陽光直接轉化為電能,來取代電池作為石英鐘能源,有利于減緩全球氣候變暖和環境惡化的速度,體現了低碳生活從身邊小事做起,口頭倡導不如踐行半步。


(2)能源的儲存是環保的


堿性電池使用壽命最短,充電電池(鋰離子、鎳氫)的使用壽命較短(反復循環數幾百次)。超級電容器具有容量大、使用壽命長(反復循環數近百萬次)、免維護、經濟環保等優點。


(3)能源的使用是高效的


充電電池(鋰離子、鎳氫)的能量儲存是通過電能→化學能→電能的過程,轉換效率低。本電路選用的超級電容器是一種新型儲能裝置,不經過化學能轉換,當然使用效率高,體現了節能;另外,把直流電源電壓通過分壓獲取所需的工作電壓這種傳統降壓方式,變換效率同樣也是低下的。本電路用電荷泵LM2788-2.0對電源管理,提高了電能的利用率,同樣體現了節能。


4推廣價值


據2010年第六次全國人口普查,全國31個省、自治區、直轄市共有4億多家庭,大部分家庭幾乎都采用石英鐘計時。保守估計,全國家庭至少有4億臺石英鐘,每年消耗掉8億節普通電池。若1億戶城鎮家庭中石英鐘使用綠色能源,那么對環境的保護是顯而易見的。南于本電路造價低廉,具有一定的推廣和使用價值。


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