Wykorzystanie alternatywnych źródeł energii elektrycznej do zasilania elementów aktywnych w inteligentnej odzieży ochronnej dla ratowników górskich

Kierownik projektu: dr inż. Anna Dąbrowska

Streszczenie projektu:

Celem projektu była analiza możliwości wykorzystania alternatywnych źródeł energii elektrycznej (AZE) do zasilania elementów aktywnych w inteligentnej odzieży ochronnej dla ratowników górskich. Przeprowadzono konsultacje z ratownikami górskimi dotyczące warunków prowadzenia akcji ratowniczych oraz potrzeb ratowników w zakresie implementacji elementów aktywnych do odzieży, a także sposobów ich zasilania. Na podstawie zgromadzonych informacji opracowano scenariusze przewidywanego użytkowania inteligentnej odzieży ochronnej wykorzystującej AZE przeznaczonej dla ratowników górskich. Ponadto przeprowadzono internetowe badania ankietowe wśród ratowników górskich TOPR i GOPR. Opierając się na ich wynikach, wytypowano reprezentatywne przykłady elementów aktywnych (odbiorników energii) dostępnych na rynku, które mogą być zastosowane w odzieży inteligentnej przeznaczonej dla ratowników górskich i być doładowywane z wykorzystaniem AZE zaaplikowanych do odzieży. Dla wspomnianych elementów aktywnych określono podstawowe parametry elektryczne (tj. napięcie zasilania, moc). Następnie spośród rozwiązań dostępnych na rynku wytypowano 3 rodzaje AZE: ogniwa fotowoltaiczne, generator elektromagnetyczny i ogniwa termoelektryczne, oraz opracowano założenia materiałowe i konstrukcyjne dla inteligentnej odzieży ochronnej z AZE przeznaczonej dla ratowników górskich.

Wytypowane 3 rodzaje AZE poddano badaniom w celu oceny generowanej mocy elektrycznej dla poszczególnych przetworników AZE przy określonych wartościach wymuszeń i obciążeniu.
W wyniku przeprowadzonych badań wytypowano ogniwo fotowoltaiczne, które może dostarczyć moc maksymalną na poziomie 0,7 W, co w przybliżeniu odpowiada średniemu poborowi mocy telefonu komórkowego w trakcie prowadzenia rozmowy. Zbadany generator elektromagnetyczny pozwolił na uzyskanie mocy maksymalnej na poziomie 60 mW i może być potencjalnie użyty do zasilania lokalizatora GPS pracującego w trybie nieciągłym, którego średni pobór mocy nie przekracza kilku mW. Generator termoelektryczny umieszczony bezpośrednio na ciele pozwolił na uzyskanie mocy maksymalnej na poziomie 0,1 mW. Niska efektywność tego źródła wynikała z małej różnicy temperatur między stroną zimną i gorącą ogniwa. Wykorzystując wybrane AZE, opracowano 3 warianty systemu zasilania. W przypadku opracowanego systemu zasilania wykorzystującego ogniwa fotowoltaiczne na wyjściu utrzymywane jest napięcie stałe 5 V, a maksymalne natężenie prądu wyjściowego wynosi 500 mA; w przypadku systemu zasilania wykorzystującego wybrany generator elektromagnetyczny – na wyjściu utrzymywane jest napięcie stałe 5 V, a maksymalny prąd wyjściowy wynosi 300 mA; natomiast dla systemu zasilania wykorzystującego ogniwa termoelektryczne – na wyjściu utrzymywane jest napięcie stałe 5 V, a maksymalny prąd wyjściowy wynosi 20 mA. Do magazynowania energii elektrycznej w przypadku systemu z ogniwami fotowoltaicznymi i generatorem elektromagnetycznym wykorzystano akumulatory litowo-jonowe (Li-ion), a w przypadku systemu z ogniwami termoelektrycznymi elementem magazynującym energię elektryczną w systemie był superkondensator o pojemności 0,1 F. Wszystkie systemy zasilania zostały wyposażone w złącze USB do połączenia elementu aktywnego (odbiornika). Dla opracowanych systemów przeprowadzono badania sprawności. Wykazały one, iż najwyższą sprawność bloku ładowania – na poziomie ok. 90%, niemalże niezależnie od natężenia prądu – osiągnięto w przypadku niskonapięciowego modułu fotowoltaicznego. W przypadku pozostałych systemów stwierdzono niższe wartości sprawności bloków ładowania. Sprawność bloku zasilania USB w przypadku wszystkich wariantów systemu kształtowała się na zadowalającym poziomie. Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano rekomendacje dotyczące wykorzystania AZE w inteligentnej odzieży ochronnej dla ratowników górskich, jak również wytyczne dotyczące sposobu ich rozmieszczenia w odzieży.

Zmodyfikowano systemy zasilania wykorzystujące wybrane AZE w celu ich miniaturyzacji i dostosowania do integracji z odzieżą dla ratowników górskich. Podjęto decyzję o zastosowaniu w odzieży jedynie ogniw fotowoltaicznych i generatora elektromagnetycznego. Opracowano 3-elementową konstrukcję odzieży, uwzględniającą kurtkę, narzutkę z ogniwami fotowoltaicznymi mocowaną do kurtki lub zakładaną na plecak oraz spodnie kompatybilne z zakładanym na nogę generatorem elektromagnetycznym. Opracowaną konstrukcję inteligentnej odzieży dla ratowników górskich z AZE poddano dwuetapowej procedurze badawczej. W pierwszej kolejności ocenie poddano wpływ warunków użytkowania opracowanych systemów zasilania z AZE na ich wydajność. W drugim etapie badań oceniano natomiast skuteczność działania obu systemów zasilania, wykorzystując do tego celu elektroniczny model symulujący działanie poszczególnych systemów na podstawie danych pomiarowych zebranych podczas pierwszego etapu badań. Po zakończeniu badań stwierdzono, że opracowana inteligentna odzież dla ratowników górskich dzięki systemowi zasilania z ogniwami fotowoltaicznymi jest w stanie zapewnić maksymalną moc 0,8 W dla napięcia 6 V przy natężeniu promieniowania słonecznego 635,6 W/m², natomiast dzięki systemowi zasilania z generatorem elektromagnetycznym pozwala wygenerować napięcie na poziomie 2,86 V. Ponadto wykazano, iż system zasilania z ogniwami fotowoltaicznymi umożliwia wydłużenie czasu pracy elementów aktywnych (odbiorników energii) o ok. 55 min (ok. 45%). W przypadku systemu zasilania z generatorem elektromagnetycznym efektywność pozyskiwania energii elektrycznej jest zdecydowanie niższa, gdyż przy jego wykorzystaniu wydłużono czas pracy urządzenia jedynie o ok. 5 min (ok. 2,8%). Opracowaną odzież poddano również badaniom użytkowym z udziałem ratowników górskich w symulowanych warunkach użytkowania, podczas których oceniano jej ergonomię. Wyniki przeprowadzonych badań stanowiły podstawę do modyfikacji konstrukcji odzieży w celu poprawy jej walorów użytkowych. Dla opracowanego modelu odzieży sporządzono dokumentację techniczno-technologiczną oraz przygotowano zgłoszenie wzoru użytkowego.

Wyniki projektu przedstawiono w 2 publikacjach w czasopismach o zasięgu międzynarodowym i 1 publikacji w czasopiśmie o zasięgu krajowym , zaprezentowano w referacie na 1 konferencji międzynarodowej oraz przedstawiono w 1 materiałach informacyjnych online.

Projekt III.N.15. Schemat przedstawiający inteligentną odzież ochronną dla ratownika górskiego wykorzystującą AZE, gdzie: 1 – system zasilania wykorzystujący ogniwa fotowoltaiczne zintegrowane z odzieżą (w formie narzutki), 2 – generator elektromagnetyczny mocowany na nodze

Jednostka: Pracownia Odzieży Ochronnej

Okres realizacji: 01.01.2017 – 31.12.2019