Выезды на природу
хороши хотя бы тем, что они хоть на какое-то время отрывают нас от телевизоров и компьютеров. Впрочем, остаются планшеты и мобильные телефоны, которые вполне нормально могут работать и за пределами цивилизации. Правда, они быстро разряжаются. Но сегодня мы расскажем про несколько устройств
, которые позволят зарядить
ваши мобильные девайсы
, даже если до ближайшей розетки 100 километров.
Термоэлектрические эффекты были открыты в XIX веке. Первый из них обнаружил в 1821 году Томас Зеебек. Он заметил, что если нагреть проволочное кольцо, спаянное из двух разных металлов, а рядом положить компас, его стрелка отклонится. Потом ученые выяснили, что нагрев проводников заставляет электроны двигаться от холодной части к теплой, отчего возникает электрический ток.
Через три десятка лет французский ученый Жан Пельтье опустил концы двух проводников в воду, пропустил ток и увидел, что вода замерзла. Так он обнаружил обратный эффект: место соединения может нагреваться или охлаждаться в зависимости от того, в каком направлении через проводники проходит электрический ток.
Наконец, Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, открыл третий термоэлектрический эффект: если взять вместо двух проводников один, концы которого будут нагреты до разных температур, то при протекании тока проводник будет нагреваться или охлаждаться в зависимости от направления тока.
Холодильники, партизаны и космос
На практике термоэлектричество используют двумя основными способами. Термоэлектрическое охлаждение «работает» в переносных холодильниках, применяется для охлаждения элементов в микроэлектронике, приборах для проведения микробиологических исследований.
Возможность превращать тепло в электрический ток впервые была реализована в так называемом «партизанском котелке», разработанном в Физико-техническом институте имени Иоффе во время Второй мировой войны. «Котелок» предназначался для питания партизанских радиостанций и работал от костра. Идея «партизанского котелка» используется и сегодня в аналогичных устройствах для туристов, что позволяет, например, подзарядить в походе мобильный телефон от костра. Кроме того, сейчас термоэлектричество используется в различных областях для снабжения электричеством сенсоров, датчиков и другой не очень «прожорливой» электроники.
Но эффективность термоэлектрических элементов невелика, поэтому на протяжении XX века они использовались только в узких областях, в том числе в космической технике, где они оказались очень востребованы. Маломощные, зато простые и надежные генераторы позволили впервые отправить космические аппараты далеко от Солнца, туда, где солнечные батареи бесполезны. Источником тепла служил запас плутония или другого радиоактивного вещества, и при помощи термоэлектрических эффектов выделяемое при их распаде тепло преобразуется в электричество.
Именно термоэлектрические генераторы работают на аппаратах «Вояджер» 1 и 2. «Вояджеры» были запущены в 1977 году для исследования границ Солнечной системы и межзвездной среды. Они работают до сих пор, и, по расчетам специалистов, состояния «недостаточно энергии для питания хотя бы одного научного прибора» достигнут лишь в 2025 году.
Термоэлектричество в наномасштабах
В конце XX — начале XXI века основным направлением исследований в области термоэлектричества стало изучение этого явления на наномасштабах. Ключевым моментом здесь является исследование термоэлектричества в — материалах, которые при температурах ниже так называемой «критической» начинают пропускать ток без сопротивления и, соответственно, без потерь.
«Если концы обычного, не сверхпроводящего, материала находятся при разных температурах, то между ними возникает и разность электрических потенциалов. Если замкнуть концы другим проводником, то в такой петле потечет электрический ток. В сверхпроводниках разности потенциалов быть не может, так как отсутствует электрическое сопротивление. Однако термоэлектрический ток в петле из разных сверхпроводников возникнуть может. Он создает магнитное поле, которое можно измерить», — рассказал Виктор Петрашов, руководитель группы нанофизики и нанотехнологии в департаменте физики колледжа Ройял-Холлоуэй в Лондонском университете.
Теоретически такая возможность была предсказана еще в 1970-х годах. Однако, когда магнитное поле удалось измерить на практике, возникла проблема: в эксперименте оно оказалось в сотни тысяч раз больше, чем предсказывала теория. Более того, разные эксперименты давали разные значения термоэлектрического магнитного поля.
«Возникло тупиковое положение, так как не было надежных экспериментальных данных, необходимых для построения и проверки теории», — пояснил ученый.
«Экспериментальная часть нашей работы разрешила парадокс, указала выход из тупика и позволила нам создать новую теорию, хорошо согласующуюся с экспериментом. Мы вывели новые формулы, закрывающие существенный пробел в теории термоэлектрических магнитных эффектов в сверхпроводниках», — заключил Петрашов.
Изучение термоэлектричества в наномасштабе в перспективе позволит разрабатывать альтернативные способы получения энергии, что особенно актуально, учитывая нынешнюю нестабильную ситуацию с ценами на традиционные энергоресурсы вроде нефти.
Результаты работы Петрашова и его коллег
Для многих из нас, кто столкнулся с проблемой выживания в условиях дикой природы, настоящей проблемой является подзарядка гаджетов. Это не обязательно мобильный телефон, ведь карты местности могут быть на планшете или ноутбуке. Да и аккумуляторный фонарик время от времени требует свою порцию электричества.
До настоящего времени единственной альтернативой была зарядка от солнечных панелей, которые стоят приличных денег и напрямую зависят от погоды. Можно, конечно, вспомнить о накопителях энергии, рассчитанных на различную емкость, но их тоже хватит ненадолго.
Лучшим выходом из положения я считаю печку-щепотницу, в которую встроен элемент Пельтье. На выходе вы получаете источник тепла для готовки и обогрева, а так же зарядное устройство. Но давайте обо всем по порядку.
Элемент Пельтье или термоэлектрический модуль (ТЭМ)
По сути это сборка термопар, состоящих из двух элементов n- и p-типов проводимости. В качестве материалов для их изготовления используются полупроводники на основе теллура, висмута, селена и сурьмы.
В стандартном ТЭМ (на рисунке) термопары расположены между двух керамических пластин. Их количество может быть от нескольких до сотен пар, позволяя создавать модули любой мощности (от 0,1 до нескольких сотен Вт).
При подаче на элемент Пельтье постоянного электрического тока, на его сторонах образуется перепад температур – одна охлаждается, а другая нагревается. Обеспечивая эффективный отвод тепла (радиатор) с горячей стороны, мы на противоположной стороне получаем охлаждение на десятки градусов относительно температуры окружающей среды.
Это активно используется при разработке систем охлаждения, причем, чем больше величина тока, тем сильнее эффект. Меняя полярность тока, мы меняем холодную и горячую сторону местами.
Практическое использование
Далеко не все догадываются, что с помощью ТЭМ можно не только охлаждать, но и вырабатывать электроэнергию.
Для этого удобно использовать готовую импортную сборку TEC1-12710, внешний вид которой приведен на рисунке:
Термоэлектрические модули от этого производителя отличаются небольшой ценой и хорошими характеристиками. Так для модификации 12710:
Другие типы сборок от 12704 до 12715 отличаются только своими характеристиками.
Для получения электричества надо обеспечить нагрев одной стороны ТЭМ с одновременным охлаждением другой. Причем разница температур должна составлять не менее 130-150°С. Для этого сборку с одной сторона «садим» на термопасту к радиатору охлаждения
А с другой (используя термопасту) прижимаем алюминиевой пластиной.
Для обдува радиатора можно применить кулер от компьютера, который при хорошем охлаждении довольно экономичен. Запитываться он будет от нашего ТЭМ. Противоположная алюминиевая пластина должна плотно прижиматься к печке-щепотнице, обеспечивая достаточный нагрев.
Для стабилизации выходного напряжения необходимо использовать самодельный или готовый преобразователь, обеспечивающий U=5V при токе от 1A. Я бы посоветовал готовые схемы от китайских производителей, имеющих готовые USB-разъемы на выходе.
Поискав в интернете, я нашел уже готовую конструкцию, которую автор изготовил из старого блока питания к компьютеру.
Конструкция довольно удачная, ведь есть и место для кружки (кастрюльки), и удобно подкладывать щепки, и имеется хороший доступ для воздуха. Вот только металл данной конструкции слабоват и быстро прогорит. Но как опытный образец, она заслуживает уважения.
Если же вы решили изготавливать корпус печки самостоятельно, постарайтесь использовать более толстый металл. Предварительно разметьте его при помощи штангенциркуля и чертилки, а затем раскроите по получившимся линиям. Помните, что крепление отдельных частей корпуса должно быть надежным, ведь металл будет подвергаться значительному нагреву.
Максимальная температура для модуля Пельтье TEC1-12710 указана 180°С, так что не стоит переживать по поводу перегрева. Ведь печка небольших размеров, да и кулер обеспечивает дополнительное охлаждение.
Мощность данного модуля рассчитана на 10А. Если вам нужно меньше – возьмите TEC1-12704, TEC1-12706, TEC1-12708. Если необходимо больше, обратите внимание на TEC1-12712 или TEC1-12715. Конечно, чем больше сила тока, тем эффективнее модуль, но и цена при этом заметно вырастает.
Для себя элементы Пельтье я заказываю на AliExpress по этой ссылке . Цена оказалась даже меньше, чем в отечественных магазинах, а качество просто отличное. Сейчас собираю подобную установку для знакомых, часто путешествующих по горам.
Прочно вошли в жизнь современных людей, при этом iPhone покупают не только офисные работники, но и люди, которые любят экстрим и туризм. Как здорово пойти в поход, но часто бывает так, что смартфон быстро разряжается. Чтобы этого не происходило, и ваш смартфон работал стабильно определённое время, для этого был создан FlameStower.
Что это такое и чем это устройство может помочь в походе? Суть работы этого устройства очень проста, FlameStower способен преобразовать энергию от походного огня, в электричество. Внешне - это небольшое устройство, термоэлектрическое, которое складывается, благодаря чему оно удобно ложится в рюкзак и не занимает много места. Оно очень быстро и легко раскладывается и даёт возможность зарядить всю ту электрику, которую берёте с собой в поход. Часто в походе может разрядится фонарик, или камера, и такое зарядное устройство легко восполнит баланс батареи. Процесс зарядки производится через разъём USB. Всё что потребуется для работы такого зарядного устройства, это огонь и стакан с простой водой.
Главное предназначение этого устройства - выполнять зарядку там, где нет постоянного источника тока. Это конечно: различные походы, и кемпинги, но использовать такой способ зарядки можно и дома. Иногда бывают такие ситуации, когда отключают электричество, толи из-за грозы, толи из-за поломки, и необходимо подзарядить портативную технику, здесь и приходит на помощь FlameStower. Зарядить можно всё, что имеет необходимый разъём usb. Так, можно не беспокоится, что при ожидании важного звонка сядет батарея телефона.
Создатели изначально создавали это устройство для его использования в отдаленном от цивилизации месте. Именно поэтому его создали компактным, и очень удобным при использовании. Вес FlameStower по заявлениям значительно меньше, в сравнении с другими подобными устройствами. Главной особенностью является то, что работает оно совершенно в любых условиях. Главное, только соблюдать необходимые требования.
Конечно весь процесс зарядки зависит от источника, то есть, от огня. Чем больше температура огня, тем быстрее будет выполнена зарядка. Конечно, iPhone будет заряжаться дольше, чем от источника тока, раза в два. Следовательно, если телефон обычно заряжается часа за два, то во время зарядки этим устройством, может потребоваться 4 часа. Зарядка в течении 30 минут, может обеспечить стабильную работу продолжительностью в час.
В тоже время создатели этого устройства уверяют, что для небольшого по длительности звонка, необходимо заряжать телефон в течении минуты. Мощность этого зарядного устройства, стандартно составляет 2 вата, максимально может достигать 3 вата, это тоже самое, что и зарядка от usb любого ноутбука.
Устройство FlameStower имеет очень простой принцип работы. В основе устройства, лежит термоэлектрический элемент. Также есть ёмкость для воды, которая также нужна для работы устройства. Электроэнергия вырабатывается за счёт разницы температуры. Плюсом является то, что нет значения, какой источник огня будет применяться.
Приспособление весит практически триста грамм. Габариты устройства составляют 197х57х25мм, что как видно не очень много. Для работы, потребуется вода в объёме равному 140 миллилитров. Не смотря на то, что устройство маленькое, тем не менее, оно очень функциональное. Стоимость его составляет 100 долларов.
Это устройство будет всегда с вами, будь-то это велосипедная прогулка, поход в горы, или же просто отдых на даче.
Разработка преобразовывает тепло в электричество
Устройство, позволяющее заряжать смартфоны и другие гаджеты даже в местах, где нет источников электроэнергии, придумал изобретатель из Уфы Айдар Хайруллин. Необычная «печь-зарядка» даёт возможность заряжать различные технологические приспособления от костра. По мнению создателей, разработка, в том числе, могла бы заинтересовать туристов.
Компактное устройство позволяет преобразовывать тепловую энергию в электрическую и, как следствие, позволяет получить необходимое электричество даже в ситуации, когда человек находится вдали от «цивилизации». При этом найти «топливо» для подобного зарядного устройства посреди леса. не представляет труда. Главной задачей, стоявшей перед изобретателем, было создание конструкции, благодаря которой к генератору поступает оптимальная температура.
Для того с помощью разработанной уфимцем технологии зарядить телефон полностью, то потребуется столько же времени, сколько и при более «традиционной» зарядке, передаёт gtrk.tv . Помимо смартфонов и планшетов, портативный генератор позволяет заряжать фонарики и другие устройства, требующие для работы электричества.
Внешне приспособление напоминает маленький мангал, на стенку которого вешается устройство, преобразующее тепло в электричество. Собрать такую конструкцию, по словам создателя, очень просто. При этом, заряжая телефон, устройством действительно можно одновременно воспользоваться почти как мангалом - к примеру, разогрев на нём чай. Смартфон или иную технику, нуждающуюся к подзарядке, можно подключить с помощью USB-порта в рамках проходившего в Самаре молодёжного формума и выиграло два гранта.
Интерес к разработке, как сообщается, уже проявили иностранцы, в том числе граждане, США и Великобритании. Также изобретение победило на конкурсе научно-технических разработок. Айдар Хайруллин предполагает, что в будущем будет налажено массовое производство необычных зарядных устройств.
