Зарядить мобильник от костра. Энергия костра. Как зарядить телефон на природе, обзор устройств
Компактная печь легко собирается. Конструкция устроена так, что для горения не нужно много дров или угля - достаточно шишек, веток и других мелких горючих материалов, которых достаточно в любом лесу. Печь обеспечивает стабильную мощность и при этом выполняет свое прямое предназначение: нагревает чайники, кастрюли и котелки - литр воды, например, закипает за 7 минут, гаджет к этому времени также начнет заряжаться.
«Сегодня есть очень много гаджетов, которые нуждаются в подзарядке. В походы мы ходим на 3-4 дня, за это время аккумуляторы садятся, и гаджеты становятся бесполезными. Обидно таскать на себе камеру или другое оборудование, которое в результате никакой пользы не несет», - объясняет свою мотивацию Айдар Хайруллин. Четыре года назад он придумал, как справиться с проблемой севшей батарейки в походе, однако к оригинальному решению этой задачи пришел не сразу. Сначала он пробовал использовать существующие технологии - купил дешевый китайский внешний аккумулятор с солнечной панелью, но быстро разочаровался в нем: устройство сильно зависело от погоды и за целый день заряжало телефон всего на 5%.
Tengu
Более дорогие аккумуляторы с крупной солнечной панелью оказались эффективнее, но также работали только в ясную погоду, требовали постоянной корректировки угла наклона по отношению к солнцу, а процесс полной зарядки по-прежнему оставался очень длительным. Кроме того, эти панели были слишком громоздкими и хрупкими для того, чтобы брать их в поход.
В поисках способа эффективной зарядки гаджетов в полевых условиях Хайруллин перерыл интернет и наткнулся на информацию о радиоизотопном термоэлектрическом генераторе. Такой установлен на марсоходе Curiosity. Этот генератор использует тепловую энергию, которая выделяется в результате распада радиоактивных изотопов и преобразует ее в электрическую. Айдар решил, что преобразовывать тепло в электричество можно и на Земле и начал тесты.
В качестве источника энергии он решил использовать не радиоактивные изотопы, а более привычный огонь костра. Так пришла идея создать небольшую походную складную печку, оснащенную термоэлектрогенератором. Заказав необходимые детали, в августе 2014 года инженер собрал первый прототип. Самоделка выглядела не очень, но, тем не менее, была вполне пригодна для первых полевых тестов. «Никто не верил, что эта штука может заряжать телефон, да еще и от костра, - вспоминает реакцию товарищей Хайруллин. - Но все сработало. Печка всем понравилась и друзья просили сделать для них тоже».
Tengu
Через пару месяцев разработкой инженера заинтересовались в одном из крупных туристических сообществ во «ВКонтакте», насчитывающем 400 тыс. подписчиков. К Хайруллину обратились с просьбой написать обзор на изобретение, он согласился. Статья возглавила ТОП-10 лучших материалов, которые были опубликованы в группе в течение года, и набрала 10 тыс. лайков, что окончательно подтолкнуло изобретателя делать коммерческую версию.
На практике все оказалось сложнее, чем ожидалось. Одно дело удивить друзей, другое - создать рабочую версию продукта для продажи. Первый прототип, например, выдавал всего лишь 0,5 Вт мощности, что позволяло за час зарядить телефон примерно на 10%. Путем экспериментов мощность удалось повысить, а для корпуса был найден лучший сплав материалов - титан и нержавеющая сталь - он оказался оптимальным с точки зрения соотношения прочности и веса. Кроме того, он не ржавеет, не прогорает, его трудно согнуть. На видео-презентации Хайруллин встает на печку ногами - она легко выдерживает его вес.
Tengu
Наконец, в мае 2016 года была создана первая промышленная версия печки-генератора, которая получила название Tengu. Для ее выпуска Хайруллин решил собирать деньги краудфандингом. Разработка понравилась сообществу и на Бумстартере были собраны необходимые 700 000 рублей. Свои экземпляры необычной печки получили все, кто жертвовал, отзывы пришли положительные.
Массовое тестирование, тем не менее, выявило некоторые эксплуатационные проблемы гаджета: контроллер не всегда заряжал некоторые айфоны, а мощность гуляла, падая с пиковой до минимальной при долгом нагреве. Год был потрачен на поиск решений. Так был полностью переработан теплосъемник. Печь в итоге получила водяное охлаждение. Дело в том, что выработка электричества зависит от разности температур между разными поверхностями полупроводникового слоя в теплоэлектрогенераторе. Было два выхода, чтобы увеличивать эту разность. Но при повышении температуры, начинали гореть контроллеры, поэтому было решено охлаждать внешнюю часть. Вода делает охлаждение намного эффективнее воздуха, поэтому остановились на ней.
Tengu
Изобретатель полностью переработал и конструкцию печки. Версия 2017 года сделана из сплава титана и нержавейки и весит 1,2 кг. Высота конструкции составляет 16 см, ширина - 12 см, толщина стенок - 1 мм. Длина вместе с радиатором - 18,5 см. Теперь с ней поставляется чехол для переноски. Мощность печки-зарядки составляет стабильные 5 Вт, выход USB - 5В/1А. Длина негорючего кабеля с металлической оплеткой, который, по словам Хайруллина, «не рвется и не плавится», составляет 30 см. На конце провода - USB-порт с индикатором - он загорится зеленым цветом, когда электричества в генераторе будет достаточно для того, чтобы начать зарядку телефона. Испытания новой версии запечатлели на видео .
Комплектующие Tengu изготавливаются на восьми заводах в России и одном в США. Договориться о сотрудничестве было несложно, говорит инженер. На одном заводе создается сплав, на втором - с помощью лазера из готового сплава вырезаются детали. Третий завод поставляет канистры из алюминия, четвертый (ОАО «Уфимкабель») - делает провода. Лишь один завод в стране, название которого Хайруллин предпочел не называть, согласился делать термоэлектрические генераторы. «Технология очень сложная, изначально она применялась только в космических целях», - объясняет Хайруллин.
Tengu
Единственный иностранный поставщик - компания из Кремниевой долины - делает для печи Хайруллина контроллеры. Российские и китайские аналоги имели низкий КПД и перегревались при больших токах. С новыми контроллерами мощность печки вышла на стабильные 5 Вт, и устройство теперь гарантированно поддерживает все модели гаджетов.
Айдар Хайруллин утверждает, что аналогичных Tengu устройств с таким же уровнем эффективности в мире просто нет. Есть похожие, но это всего лишь игрушки. Они, в отличии от нашего генератора, используют элемент Пельтье. В другом известном генераторе встроен повербанк, который собственно и заряжает гаджеты, а генерация электричества только немного добавляет мощности.
В месяц команда Айдара может собирать порядка 100 печек Tengu, поскольку именно такое число термоэлектрических генераторов может производить поставщик. Окончательная сборка Tengu производится в Уфе.
Мы задали Айдару короткий блиц из наиболее типичных вопросов, которые чаще всего интересуют потенциальных заказчиков его разработки.
- Какой срок службы Tengu?
- Большинство элементов сделано из стали не подверженной коррозии. Самое хрупкое это электроника, ее производитель заявляет средний срок службы 50 лет.
- Сколько дров требуется чтобы зарядить телефон?
- За час в среднем уходит 600 грамм щепок.
- Как быстро вскипает вода в бачке?
- Вода используемая для охлаждения закипает примерно за час. Но генератор продолжает заряжать с небольшой потерей мощности. Чтобы мощность была максимальной, достаточно просто подлить холодную воду.
- Насколько ваше устройство надежно?
- Генератор практически полностью сделан из стали, он выдержит падения и даже вес человека если на него встать. Конструкция сделана так, чтобы работать в любую погоду, ей не страшен дождь, ветер и отрицательные температуры.
- Почему вы не используете модули Пельтье?
- Все просто - эти модули не выдерживают высоких температур и обладают небольшой мощностью. Мы используем собственные генераторные модули, их мощность 12 Ватт. Они предназначены для работы при высоких температурах и специализированы для выработки электроэнергии. На данный момент они производятся по заказу на заводе в России. С помощью BommStarter хотим наладить собственное производство.
Настоящий портативный электрогенератор создали американские конструкторы, который они назвали FlameStower. Идея не нова, работа зарядного устройства основана на тех же элементах Пельтье, которые давно уже доступны и могут послужить начинкой для новой вещи, которую вы решите придумать сами и даже сделать на ней бизнес. Посмотрите описание такого . Тем более, что пока еще не так много подобных девайсов для подпитки или поддержки работы телефонов, планшетов, мини-телевизоров и радиоприемников. Разные модели электрогенераторов, надо отметить, вызывают интерес у пользователей, иной раз вынужденных в досаде сидеть без связи и других удобств цивилизации, например на даче, в походе или на пикнике.
Как функционирует FlameStower
Работа FlameStower проста. В чашку наливают воду, а пластину нагревают огнем газовой горелки, свечи или небольшого костра. Вода необходима для охлаждения одной из сторон термоэлектрического элемента, поскольку принцип действия теплоэлектрогенератора Пельтье предполагает разницу температур двух его сторон, что дает электрический ток на выходе. Купить Пельтье можно в этом китайском магазине . Есть и специальный кулер охлаждения .
Технические характеристики зарядного устройства FlameStower
Вес: 227 грамм
Размер: 19,7 см х 5,7 см х 2,5 см
Номинальное напряжение: 5 V
Стандартная мощность: 2 Вт
Максимальная мощность 3 Вт
Насколько быстро способно зарядить телефон данное зарядное устройство? Не так быстро как в обычных условиях подзарядки через электросеть, а точнее времени понадобится в два раза больше обычного. Но для трехминутного разговора достаточно 1-2 минут прогрева пластины с термоэлектрогенератором.
Цена FlameStower на официальном сайте невысокая – около 80 долларов США. Игрушка, конечно, занятная. Хотя… не лучше ли просто взять с собой в поход про запас пару заряженных аккумуляторов от телефона? А да, от USB-выхода можно ведь еще и фонарик зарядить и освещение себе обеспечить в ночное время. В большой костер такую вещь не сунешь, но можно удлинитель в виде железной пластины приспособить и греть его в костре хоть докрасна.
Сейчас все больше людей выбирают активный отдых. Каждый день появляются новые гаджеты: экш-камеры, GPS навигаторы, защищенные смартфоны, фитнес трекеры и многое другое. Все они делают наш отдых комфортным и интересным. Но у всех один и тот же минус. Время автономной работы от 2 часов до 2 суток. После этого ваши самые навороченные гаджеты превращаются в бесполезные куски пластмассы и лишний вес в рюкзаке. И ведь не выкинешь.
Кончено существуют способы их зарядить, но все они не надежны.
Небольшая складная печь, которая заряжает гаджеты от костра в любую погоду и в любых условиях.
Просто соберите ветки под ногами и растопите их в мини печке. Генератор преобразует тепло в электричество без каких-либо движущихся элементов, что обеспечивает высокую надежность. Средний смартфон заряжается за полтора часа, точно так же как от обычной зарядки у вас дома. А пока ваши гаджеты заряжаются, вы можете вскипятить воду для чая. Этот процесс на много удобней и быстрее чем на обычном костре.
Мы взяли космические технологии и применили для бытовых вещей. Точно так же устроен генератор на марсоходе Curiosity . Это машина весом почти в тону исследует Марс уже 4 года. На ней нет солнечных панелей. Всю необходимую энергию обеспечивает термоэлектрический модуль аналогичный нашему. Это говорит о невероятной надежности данных генераторов, они пережили большие нагрузки при старте, долгий перелет, жесткую посадку и суровые условия красной планеты.
Да, аналоги уже есть, но их нельзя назвать полноценными генераторами, и они не способны зарядить телефон от 0 до 100%.
Просто игрушки для теста технологии, способны лишь немного подзарядить для экстренного звонка.
Мы НЕ используем элементы Пельтье! В наших генераторах стоят полноценные среднетемпературные генераторные модули со сложной конструкцией теплосъема.
Я сам турист и перепробовал кучу портативных зарядных устройств, но ни одно из них меня не устраивало. Я начал искать какие существуют способы получения электричества. И наткнулся на термоэлектрический эффект открытый еще в 19 веке.
Через пару месяцев изучения у меня был первый прототип. Он был способен зажигать маленькую лампочку и заряжать звонилки.
Мной была написана статья, которая разлетелась по всему интернету. Позже я узнал, что она набрала больше 10 000 лайков и заняла первое место в одной из туристических групп в контакте. И тут понеслось!
Через пол года была разработана первая модель с мощностью 2,5 Ватта. Над печкой работала уже команда из 3 человек. Впереди нас ждали полтора года испытаний и научных изысканий. Было протестировано множество материалов, многие из которых не выдерживали и сгорали.
И вот спустя два года у нас уже есть промышленный образец полностью готовый к использованию. Также сделаны инструкции, коробки и прочие составляющие. 5 заводов по России готовы производить комплектующие по нашим техническим заданиям.
Теперь нам нужна ваша поддержка. Чтобы запустить производство, необходима сумма в размере 680 000 руб. Фабрики не могут выпускать мелкую серию, поэтому нам нужно заказать минимум 150 штук. От вас зависит судьба этого устройства. Мы очень хотим, чтобы оно увидело свет и помогло людям.
Руководитель Хайруллин Айдар
Инженер Космылин Денис
Маркетолог Батурин Денис
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.
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