Аккумулятор от тепла тела

Россияне создали технологию питания гаджетов от человеческого тела

Российские термоячейки

Ученые Национального исследовательского технологического университета МИСиС (НИИТУ «МИСиС») разработали новый тип энергоэффективных устройств – термохимических ячеек (термоячеек), превращающих тепло в электрическую энергию. Об этом говорится в пресс-релизе, опубликованном на официальном сайте университета.

Технология, предложенная российскими специалистами, как ожидается, позволит выпускать компактные элементы питания. Их можно будет размещать практически на любой поверхности – к примеру, на одежде, и использовать для выработки электрического тока за счет разницы в температурах человеческого тела и окружающей среды. Полученную энергию можно будет направить на подпитку различных мобильных устройств.

Работа термоячеек основывается на эффекте Зеебека. Эффект Зеебека, открытый в 1821 г. немецким физиком Томасом Зеебеком (Thomas Seebeck), заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает электродвижущая сила (ЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах. Термоэлектричество в НИИТУ «МИСиС» называют одним из самых перспективных направлений «зеленой энергетики». Серьезным недостатком уже существующих современных образцов термоячеек является их низкая выходная мощность. Это существенно ограничивает область их применения.

Новые термоячейки, разработанные россиянами, состоят из оксидно-металлических электродов на основе полых никелевых микросфер и водного электролита. Такая комбинация, по словам специалистов, позволяет повысить ток, одновременно снижая внутреннее сопротивление элемента, получив на выходе увеличение мощности в 10-20 раз по сравнению с аналогами – напряжение разомкнутой цепи может достигать 0,2 В при температуре электрода до 85 градусов Цельсия. Кроме того, использование водного электролита снижает стоимость производства и повышает безопасность системы. По словам одного из авторов работы, ведущего эксперта кафедры ФНСиВТМ НИТУ «МИСиС» Игоря Бурмистрова, был достигнут рекордный (4,5 мВ/К) для водных электролитов показатель гипотетического коэффициента Зеебека (термоэлектрической чувствительности), а также выявлено нетипичное для термоячеек нелинейное изменение вольт-амперных характеристик, обеспечивающее рост коэффициента полезного действия (КПД) устройства.

Результаты работы российских ученых опубликованы в британском журнале Renewable Energy. В будущем специалисты планируют добиться повышения выходной мощности за счет оптимизации состава электродного материала и улучшения конструкции термоячейки. В перспективе же можно создать суперконденсатор, который бы сохранял в себе заряд длительное время.

К слову, в августе 2019 г. CNews писал о том, что в НИТУ «МИСиС» нашли применение борщевику – опасному сорняку, в изобилии произрастающему на территории России. Как выяснилось, его стебли можно использовать в производстве электродов для суперконденсаторов. Полученные в ходе исследований результаты показали, что, несмотря на растительное происхождение электродов, суперконденсаторы не утратили своих свойств, смогли накапливать заряд в больших объемах и хранить его продолжительное время.

Атомная батарейка

Отечественные специалисты из НИТУ «МИСиС» также смотрят и в сторону других типов портативных источников тока. Так, в августе 2020 г. они продемонстрировали собственный прототип батареи, конструкция которой основана на запатентованной микроканальной 3D-структуре никелевого бета-гальванического элемента. Срок службы такой батарейки – 20 лет.

Особенность трехмерной структуры батарейки заключается в том, что радиоактивный элемент наносится с двух сторон так называемого планарного p-n перехода, что позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также контролировать обратный ток, который «крадет» мощность батареи. Особая микроканальная структура обеспечивает увеличение эффективной площади преобразования бета-излучения в 14 раз, что в результате дает общее увеличение тока.

За счет оригинальной 3D-структуры бета-гальванического элемента размеры батареи, по словам разработчиков, по сравнению с предыдущими уменьшились втрое, удельная мощность повысилась в 10 раз, а себестоимость снизилась на 50%.

Батарейка может быть применена в нескольких функциональных режимах: в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах и в труднодоступных (или совсем не доступных) местах: в космосе, под водой, в высокогорных районах.

В США тоже заняты разработкой бета-гальванических батарей. К примеру, американская компания Nano Diamond Battery недавно заявила о создании прототипа батареи такого типа, которая якобы может работать 28 тыс. лет. В ее основе лежит сердечник из переработанных ядерных отходов, но для человека она безопасна за счет покрытия из специальных синтетических алмазов.

Источник

В России разработана доступная технология зарядки гаджетов от тепла тела

Глобальные изменения климата стимулируют учёных сосредоточиться на разработке альтернативных технологий в энергетике. Одно из таких направлений — прямое преобразование тепла в электроэнергию. Разработчики НИТУ «МИСиС» представили новые электрохимические ячейки, модули на основе которых в перспективе смогут заряжать носимую электронику прямо на руке пользователя, а также автомобильные аккумуляторы, используя тепло выхлопных газов.

Наиболее эффективной технологией снятия тепла с источников, температура которых не превышает 100 °С, считаются термоэлектрохимические ячейки (термоячейки). Их работа основывается на так называемом эффекте Зеебека: в замкнутой цепи из разнородных проводников, возникает электродвижущая сила, если места контактов находятся в разных температурных зонах.

Главный недостаток уже существующих современных термоячеек — низкая выходная мощность. Это существенно ограничивает область их применения. В качестве решения этой проблемы коллектив учёных кафедры ФНСиВТМ НИТУ «МИСиС» совместно с российскими и иностранными коллегами провели новое исследование, посвящённое повышению ёмкости и эффективности термоячеек. Одной из приоритетных задач стал переход от электродов на основе дорогих углеродных нанотрубок к их аналогам из более доступных углеродных тканей.

• 
• 

Учёные рассмотрели два вида конструкций ячеек: обычную электрохимическую с солевым мостиком и корпусом типа монетной ячейки. В ходе экспериментов выяснилось, что модификация поверхности электродов титаном и оксидом титана может понизить внутреннее сопротивление ячейки на три порядка.

В результате этого максимальная мощность ячеек на основе углеродного волокна увеличилась до 25,2 мВт/м2, что обеспечило КПД в 1,37%. При этом лучший мировой результат составляет около 3%, но в термоячейках-«рекордсменах» использованы дорогостоящие массивы углеродных нанотрубок, декорированные наночастицами платины.

Сейчас коллектив университета работает над дальнейшим повышением мощности полученных термоэлектрических модулей и планирует приступить к созданию опытных прототипов устройств на их основе.

Источник

Зарядное устройство от тепла тела

Одно из слабых мест портативных девайсов, включая умные часы и смартфоны, это срок из работы без подзарядки. Конечно, было бы лучше вообще забыть об их подзарядке, как о необходимости крутить пимпочку часов с автозаводом.

Но что использовать в качестве источника энергии? Шляпу с солнечной батареей? Поративный ядерный реактор? В Корейском Институте передовых наук и технологий решили использовать для заряда тепло человеческого тела. Группа ученых уже разработала легкий и гибкий генератор, сделанный из термоэлектрического материала.

Термоэлектрические генераторы, изготовленные из неорганических материалов, имеют мощность выше тех, что сделаны из органических. Проблема в том, что они при этом более жесткие и большего размера. Разработка корейских ученых ориентирована на решение данных проблем: стеклоткань, на которой напечатан генератор, уменьшает потерю тепла и увеличивает выход энергии. Об этом утверждает статья, опубликованная институтом. Также команда разработчиков отметила, что их творение может быть использовано в транспортных средствах, включая самолеты.

Byung Jin Cho, лидер группы разработчиков:

Это революционный подход к дизайну генераторов. Мы смогли значительно снизить вес нашего генератора — а этот параметр является важным элементом для носимой электроники.

Вот только о том, когда мы увидим эту разработку в реальных гаджетах, нам не сообщают.

Источник

Как зарядить смартфон водой и огнем

Содержание

Содержание

То, что зарядить мобильный гаджет можно не только от обычной розетки или бортовой сети автомобиля, но и используя энергию огня, воды и ветра — для многих уже не является секретом. А вот как работают такие устройства — является загадкой из разряда «черного ящика» телепередачи «Что? Где? Когда?». В данной статье разберемся, как устроены зарядки, использующие в своей работе энергию огня, воды и воздуха.

История и теория термоэлектричества

В следующем году открытию, послужившему отправной точкой целого раздела физики, а именно изучению термоэлектрических процессов, исполняется 200 лет. В 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек сообщил научному сообществу об одном любопытном наблюдении. А именно о возникновении магнитного поля и протекании электрического тока в замкнутой системе проводников, при приложении тепла или холода на одну из точек сплава двух металлов.

В своих экспериментах Зеебек использовал пластину висмута и припаянную к ней пластинку меди. Между двумя пластинами ученый оставил зазор, в который помещалась магнитная стрелка.

При приложении тепла или холода к одной из сторон конструкции магнитная стрелка отклонялась от своего первоначального положения, что свидетельствовало о возникновении магнитной индукции в медном проводнике. Если замкнутый контур, состоящий из двух металлов разомкнуть, то на его выводах, при нагревании или отведении тепла с места соединения, возникала разность потенциалов. Свое открытие немецкий ученый назвал «термомагнетизмом». Позже физический процесс возникновения электродвижущей силы в спае проводников при нагревании точки сплава был назван эффектом Зеебека.

Помимо того, что это открытие дало мощный толчок исследованиям в области термоэлектричества, эффект Зеебека подарил человечеству удобный инструмент для измерения температур, а именно — термопары.

Следующей важной вехой в исследовании термоэлектрических эффектов стало открытие французского ученого Жан-Шарля Пельтье, сделанное им в 1834 году. Он продолжил эксперименты с различными спаями металлов, и пришел к выводу, что наибольший эффект по продуцированию ЭДС в контуре достигается при использовании висмута и сурьмы, элементов с различной проводимостью (n-проводимость и p-проводимость). Последовательное соединение этих элементов между собой медными перемычками, с четким соблюдением их чередования, привело к открытию.

Подача напряжения на контакты такой схемы заставляла одну сторону спаек сильно нагреваться, а другую — стремительно терять тепло. Причем, чем большее значение напряжения подавалось на выводы схемы, тем большая разница температур устанавливалась на сторонах экспериментального элемента.

По сути — это был второй основополагающий принцип термоэлектричества, обратный эффекту Зеебека.

Эффект, открытый французским ученым получил его имя, а созданное устройство было названо элементом Пельтье.

Современные элементы Пельтье производятся на базе соединений германида кремния и германида висмута, что позволяет при приложении к ним напряжения порядка 12–14 В получить разницу температур в 80° С между «горячей» и «холодной» сторонами, но это максимальные значения. В среднем Δt составляет 60° С.

Широкое применение элементы Пельтье получили в холодильных установках, особенно в компактных автомобильных холодильниках. К преимуществам такого решения однозначно можно отнести:

• простоту конструкции;
• отсутствие механических частей;
• возможность работы, как на охлаждение, так и на нагрев (достигается простой сменой полярности).

Основными и существенными недостатками являются:

• низкий КПД;
• зависимость от температуры окружающего воздуха;
• высокие затраты электрической мощности для создания разности температур на сторонах элемента.

Но «чудеса» на этом не заканчиваются. Оказывается, что при приложении на разные стороны элемента тепла и холода, по его переходам начинает протекать электрический ток, а на выводах генерируется напряжение. Данная особенность элемента Пельтье легла в основу целого класса альтернативных зарядных устройств, генерирующих ток заряда от простого нагрева его «горячей» стороны и отвода тепла с «холодной».

Как зарядить смартфон огнем

Девайсы, пригодные для зарядки мобильных гаджетов подобного типа имеют различный форм-фактор. Они могут быть выполнены в форме кружки, котелка, мангала или небольшого переносного очага для сжигания щепок. Главное, что их объединяет — для начала генерации электроэнергии одну из сторон элемента нужно нагреть.

Величина тока заряда напрямую зависит от разности температур на сторонах элемента Пельтье.

Чтобы повысить значение генерируемого тока, производители термоэлектрических зарядок идут на ряд ухищрений:

• исполняют их в форме походной посуды (котелки, кастрюли, кружки и т. д.).

Огонь нагревает одну сторону элемента, а вода эффективно охлаждает вторую. Правда длится это не долго — вода рано или поздно закипит и разница температур уменьшится, но при этом появляется возможность приготовить сытный обед на лоне природы;

• встраивают в устройства небольшие аккумуляторы, которые продолжают заряжать смартфон после уменьшения разности температур на сторонах элемента Пельтье;
• оснащают свои зарядки эффективной системой воздушного охлаждения для быстрого отвода тепла с «холодной» стороны элемента.

Что касается практической стороны вопроса, то рынок подобных устройств весьма обширен, начиная с устройств уже сделавшей себе имя американской компании BioLite, имеющей в своем модельном ряду как небольшие походные очаги (от 13000 руб),

так и мангалы для большой компании (от 21000 руб),

заканчивая довольно молодым стартапом мангала зарядки Tengu (от 8000 руб) российского инженера из Уфы.

Все что нужно для зарядки мобильника или планшета — собрать несколько сухих веток или шишек и разжечь огонь. Дальше законы термоэлектричества сделают свое дело, пора подключать смартфон к USB порту и пополнять энергией аккумуляторы гаджетов!

Как зарядить смартфон водой, ветром или мускульной силой

Идея получения электрической энергии от энергии вращения не нова. Пожалуй, она родилась одновременно с изобретением электричества. Простое наблюдение, что в катушке проводника, при поднесении к ней магнита, начинает течь электрический ток, дало старт развитию и совершенствованию устройств по генерации электрической энергии.

Устройство генератора

Генератор электрической энергии — это электрическая машина, в которой происходит трансформация механической энергии вращения в электрическую энергию.

Существует несколько вариантов конструкционного исполнения электрогенераторов, но всех их объединяет один принцип — при взаимодействии проводника, выполненного в форме рамки, с магнитным полем в нем начинает протекать электрический ток, а на выводах рамки возникает разница потенциалов (напряжение). Причем значения что напряжения, что силы тока, напрямую зависят от частоты вращения проводника в магнитном поле. Понятно, что для достижения наибольшего эффекта и КПД, в электрическом генераторе таких единичных рамок содержится несколько десятков, а то и сотен. В совокупности они образуют обмотку генератора, в которой продуцируется электрический ток.

По типу генерируемой энергии электрические машины разделяются на генераторы постоянного и переменного тока. Конструкционно генераторы переменного тока несколько проще, поскольку в них отсутствует коллектор и щеточный узел, и соответственно, машины переменного тока требуют значительно меньшего к себе внимания и затрат на обслуживание.

Именно по этой причине в компактных зарядных устройствах широко используют генераторы переменного тока, но так как гаджеты для своей зарядки требуют постоянное напряжение и ток, то в схему зарядного устройства включают простейшие выпрямитель и стабилизатор.

В генераторах промышленного и бытового назначения магнитное поле, в которое помещаются рамки-проводники, создают обмотки возбуждения, к которым подводится постоянный ток от стороннего источника энергии или выпрямленный электрический ток, сгенерированный самой электрической машиной (генераторы с самовозбуждением). Такую конструкцию довольно непросто реализовать в миниатюрном масштабе, поэтому компактные генераторы, используемые в зарядных устройствах, оснащают постоянными магнитами.

От типа магнита и его силы зависит сила магнитного поля, что в конечном итоге сказывается на величине генерируемого тока. Наилучшие представители компактных генераторов оснащаются неодимовыми магнитами.

Еще одним немаловажным фактором, отвечающим за эффективность зарядного устройства и его способность генерировать достаточное количество энергии, является минимизация потерь энергии при ее преобразовании. В первую очередь это касается механических потерь от трения, возникающих при вращении ротора. Крайне желательно, чтобы ось ротора такого генератора была установлена на подшипниках качения, а не на латунных втулках, имитирующих подшипник скольжения. Такой конструктив позволит ротору начинать вращаться при приложении к нему минимальных усилий, что особенно важно в установках, работающих от дуновения ветра или движения воды. При генерации энергии от протока воды, важно обеспечить полную герметичность конструкции, исключив тем самым даже намек на попадание внутрь устройства влаги.

Устройство зарядок, работающих от энергии воды или ветра схоже. На вал ротора генератора надета крыльчатка, которая приводится в движение проходящими через ее лопасти потоками той или иной стихии.

При использовании для генерации мускульной силы, в конструкцию устройства добавляется повышающий редуктор, который позволяет получить достаточное количество оборотов на валу генератора, необходимое для выработки электроэнергии заданных параметров. При этом ручку зарядного устройства не придется вращать с фанатизмом.

Приблизительно три минуты вращения рукоятки механической зарядки дадут одну минуту разговора, что в экстренной ситуации может сыграть решающее значение.

Что касается практического применения, то зарядки, построенные на генераторе электрической энергии, пожалуй, самая распространенная категория походных зарядных устройств. Начиная от наиболее распространенных велосипедных динамо-машин (от 500 руб)

и механических зарядных устройств (от 400 руб),

до микроГЭС, использующих в своей работе энергию течения ручья или реки. Чтобы зарядить смартфон такой зарядкой, нужно будет найти место на берегу, где имеется хоть небольшое, но устойчивое движение воды. Протекающая сквозь лопасти вода будет вращать вал генератора, заряжая внутренний аккумулятор. Устройства подобного плана незаменимы в путешествиях по водной глади, от неспешного путешествия на плоту, до экстремального сплава по горной реке. В путешествиях, когда позволяют условия, турбину зарядного устройства нужно всегда оставлять за бортом плавательного средства, используя любую возможность накопить энергии.

Стоимость такой универсальной турбинки стартует от 18000 руб. «Фишка» конкретной модели (к слову сказать, произведенной в Канаде) — всеядность, она успешно работает как от течения воды или воздушных потоков, так и от мускульной силы путешественника.

Синергия веществ и стихий

Зарядить мобильник можно не только отдельно взятыми огнем, водой или ветром, но и сочетанием сразу нескольких внешних воздействий. Также можно заручиться помощью других конструкций и веществ.

Химические вещества

Яркими представителями этого семейства зарядных устройств являются химические топливные элементы, вырабатывающие электроэнергию вследствие протекания в них определенных химических реакций. Основная суть этих процессов — химическая реакция, обратная процессу электролиза (разложение воды на водород и кислород при воздействии на нее электрического тока). В компактных топливных элементах, вместо классического водорода, который до сих пор не научились дешево производить, используется метиловый спирт, содержащий в своем составе достаточное количество водорода.

В итоге, при взаимодействии водорода и кислорода, содержащегося в воздухе, в электролите, заключенном в протонообменную мембрану, не выпускающую за свои пределы отрицательно заряженные частицы, возникают свободные электроны, которые двигаясь по проводнику, создают в нем электрический ток.

Главная «фишка» химического топливного элемента — невероятно высокий КПД и отсутствие каких либо вредных выбросов. На выходе — чистая энергия и несколько капель воды.

Единственное, что сильно сдерживает развитие этой технологии — понимание того, что метанол ядовит и его повсеместное использование может быть чревато. Дополнительным фактором, не позволяющим развиваться таким топливным элементам, является их дороговизна. Ведь в качестве катализатора на катоде и аноде установки применяются дорогостоящие золото и платина.

Хороший потенциал и у другой пары химических элементов, а именно магния и углерода (каменного угля). Помещение двух электродов из этих элементов в емкость с водой дает на их выводах напряжение порядка 2 В.

Зарядные устройства, работающие на химических топливных элементах активно продвигались и продавались в 2013-2014 годах. Сегодня их уже не встретить в продаже. Видимо технология не оправдала себя, либо появилась преждевременно.

Огонь и вода

В одной детской логической игре есть вопрос: «Что будет, если объединить огонь и воду?». Правильный ответ — «Пар», а это, на минуточку, один из первых движителей, стоявших на заре повсеместной электрификации. Именно паровые машины приводили в движение первые электрические генераторы. Поэтому многим наверняка понравится паровая машина в стиле стим-панк у себя на рабочем столе.

Принцип ее действия достаточно прост: вода, находящаяся в котле, закипает и переходит в газообразное состояние — пар, который в свою очередь толкает поршень цилиндра, приводящего в движение маховик. Присоединив к нему вал генератора — получим действующую модель, генерирующую электроэнергию. Да, она будет иметь слабый КПД, ее не возьмешь с собой в поход, но оказавшись в месте, куда еще не добралось «стационарное» электричество, зарядить смартфон или зажечь небольшую лампочку однозначно получится.

Паровая машина — сосуд, работающий под давлением! Обращаться с ней нужно крайне осторожно, с соблюдением всех необходимых мер безопасности!

Огонь и воздух

Еще одним любопытным устройством, позволяющим получить энергию движения от нагрева воздуха, является двигатель Стирлинга.

Авторство данной конструкции принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу, запатентовавшему свое изобретение в 1816 году.

Принцип действия установки до безобразия прост. Двигатель работает исключительно за счет разницы температур рабочего тела, заключенного в цилиндр. В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга используется обычный воздух.

Для запуска двигателя Стирлинга достаточно нагреть воздух в «горячей» части цилиндра в течение 20–30 секунд. Нагретый с одной стороны цилиндра воздух расширяется и толкает рабочий поршень, после чего остывает в регенераторе, сжимается и тянет поршень обратно. За быстрое перемещение воздуха в цилиндре с горячей стороны в холодную и обратно отвечает вытеснительный поршень.

Этот цикл продолжается до тех пор, пока в рабочем цилиндре сохраняется разность температур между его сторонами. Остановка двигателя происходит при выравнивании температур воздуха в обеих частях цилиндра.

Чтобы обеспечить работоспособность конструкции, важно соблюдение двух условий:

1. Рабочий и вытеснительный поршни должны крепиться к маховику с определенным сдвигом (как правило, круговой сдвиг составляет 90°);
2. Вытеснительный поршень, в отличие от рабочего, должен неплотно прилегать к стенкам цилиндра, обеспечивая свободное перемещение рабочего тела из горячей в холодную часть камеры и наоборот.

Дальше — дело техники, подключаем к валу маховика генератор и собираем так необходимую энергию.

К преимуществам этой конструкции относятся:

• всеядность. Абсолютно не имеет никакого значения, каким видом топлива нагревать или охлаждать часть рабочего цилиндра;
• простота конструкции. Минимум деталей и простая схема сборки делает этот вид двигателя чрезвычайно работоспособным, имеющим просто огромный рабочий ресурс;
• экономичность. Для создания разницы температур не требуется большого количества энергии. Рабочее тело (воздух) при этом не расходуется вовсе;
• экологичность. Двигатель Стирлинга не выбрасывает в атмосферу отработавшие газы, не создает при своей работе повышенные уровни шума и вибрации.

К недостаткам данной конструкции следует отнести:

• невозможность снятия большой мощности с вала двигателя;
• сложность регулирования режима работы и скорости вращения маховика;
• инерционность системы;
• большие габариты и материалоемкость. Для получения более-менее адекватных уровней мощности, размер цилиндра должен быть внушительным, а на изготовление стенок регенератора, необходимого для охлаждения рабочего тела, требуется большое количество металла.

Что паровая машина,

что двигатель Стирлинга

не являются какими-то «эксклюзивами». Товарные экземпляры можно запросто купить в местных интернет-магазинах, специализирующихся на продаже демонстрационных и образовательных моделей, либо заказать напрямую из Поднебесной. Производят их все равно по большей части там.

Единственное, что заряжать телефон моделями этих двигателей «из коробки» не получиться, их нужно будет дорабатывать в плане установки генератора с необходимыми выходными параметрами. В общем — задача для настоящих энтузиастов, не боящихся брать в руки инструмент.

Модель паровой машины обойдется от 15000 руб, а небольшой двигатель Стирлинга от 2500 руб. Стоимость моделей, которые можно модернизировать для нужд зарядки мобильных гаджетов стартует от 4500 руб.

Итоги

Конечно, все перечисленные устройства, на сегодняшний день являются довольно экзотичными и пока еще мало распространенными в повседневной жизни, но принципы, заложенные в них, имеют огромный потенциал в сфере добычи энергии из альтернативных источников. Поэтому однозначно можно сказать лишь одно, оказавшись вдали от электрической розетки и имея в своем арсенале хотя бы одно из таких устройств — получить немного энергии для освещения или зарядки смартфона не составит большого труда.

Источник