Как зарядить смартфон водой и огнем

Как зарядить смартфон водой и огнем
12 мин
4
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.

4
Как вам материал?

    Комментарии 1

    Наслаждайтесь общением. Критикуйте сообщения, а не авторов. Меньше токсичности, больше любви ❤️

    Аватар пользователя
    3 года назад

    Помню в детстве тащился от динамомашин с фонариками, которые к велику крепились )

    4