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
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.
Особенности устройства 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.
Предназначение
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.
Принцип работы
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.
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.
BioLite Stove – это компактная переносная горелка, которую можно использовать в походе и как печку, и как зарядное устройство для мобильных гаджетов. Работает этот необычный девайс от дров. Причем, BioLite Stove оснащен системой поглощения дыма, уменьшающей его количество на 95 процентов, по сравнению с открытым огнем.
Устройство Candle Powered USB Charger оказалось бы незаменимым, если бы вы вдруг попали со своим iPad"ом век так в восемнадцатый! Ведь оно представляет собой девайс, который получает энергию при нагревании на свечке, и может с ее помощью заряжать гаджеты. Впрочем, и сейчас Candle Powered USB Charger может быть весьма кстати, когда в доме на длительный срок вырубилось электричество.
Создатели необычной пары обуви Orange Power Wellies предлагают заряжать ваши девайсы теплом вашего собственного тела. Эти технологичные сапоги, как и , используют контраст между температурой человеческого тела и температурой воздуха. Полученная же таким удивительным способом энергия отправится в ваш телефон или планшет.
TES NewEnergy Charger – это весьма необычный чапельник (ручка для кастрюли или сковородки), который нужно присоединить к раскаленной на костре емкости с едой или водой. Полученное тепло будет преобразовываться в электроэнергию, от которой можно заряжать мобильные гаджеты.
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.
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.