Как из тепла сделать электричество?

Как из тепла сделать электричество?

Делаем бесплатное электричество — простой самодельный генератор

Многих электриков интересует один очень популярный вопрос – как автономно и бесплатно получить небольшое количество электроэнергии. Очень часто, к примеру, при выезде на природу или походе катастрофически не хватает розетки для подзарядки телефона либо включения светильника. В этом случае Вам поможет самодельный термоэлектрический модуль, собранный на базе элемента Пельтье. С помощью такого устройства можно генерировать ток, напряжением до 5 Вольт, чего вполне хватит для зарядки девайса и подключения лампы в экстренной ситуации. Далее мы расскажем, как сделать термоэлектрический генератор своими руками, предоставив простой мастер-класс в картинках и с видео примерами!

Кратко о принципе действия

Чтобы в дальнейшем Вы понимали, для чего нужны те или иные запчасти при сборке самодельного термоэлектрического генератора, сначала поговорим об устройстве элемента Пельтье и о том, как он работает. Данный модуль состоит из последовательно соединенных полупроводников – pn переходов, находящихся между керамическими пластинами, как показано на картинке ниже.

Когда через такую цепь проходит электрический ток, происходит так называемый эффект Пельтье — одна сторона модуля нагревается, а вторая – охлаждается. Для чего это нам нужно? Все очень просто, данный эффект работает и в обратном направлении: если одну сторону пластины нагреть, а второю охладить, то можно получить электроэнергию небольшого напряжения и силы тока. Огромное преимущество данного метода в том, что можно использовать любой источник тепла, будь то костер, или горячая кружка с кипятком, остывающая плита и так далее. Для охлаждения можно применять воздух или для более мощных вариантов – обыкновенную воду, которая обязательно найдется даже в условиях похода. Далее переходим к мастер-классам, которые наглядно покажут из чего и как сделать термоэлектрический генератор своими руками.

Мастер-класс по сборке

У нас есть очень подробная и в то же время простая инструкция по сборке самодельного генератора электроэнергии на базе мини-печи и элемента Пельтье. Она пригодится каждому путешественнику в походе. Для начала Вам необходимо подготовить следующие материалы:

  • Непосредственно сам элемент Пельтье с параметрами: максимальный ток 10 А, напряжение 15 Вольт, размеры 40*40*3,4 мм. Маркировка – TEC 1-12710.
  • Старый нерабочий блок питания от компьютера (с него нужен только металлический корпус).
  • Стабилизатор напряжения, со следующими техническими характеристиками: входное напряжение 1-5 Вольт, на выходе – 5 Вольт. В данной инструкции по сборке термоэлектрического генератора используется модуль с USB выходом, что упростит и сделает безопасным процесс подзарядки современного телефона либо планшета. Эту деталь можно приобрести в магазине радиокомпонентов или в интернете.
  • Радиатор. Можно взять от процессора сразу с кулером (вентилятором), как показано на фото.
  • Термопаста, продается в компьютерном магазине.

Исходные материалыРадиатор с куллером фото

Подготовив все материалы, можно переходить к изготовлению устройства своими руками. Итак, чтобы Вам было понятнее, как самому сделать генератор, предоставляем пошаговый мастер-класс с картинками и подробным объяснением:

  1. Разберите старый блок питания и оставьте только корпус. Он будет использоваться, как место розжига огня (так называемая печь). Будьте внимательны, даже на старых блоках питания в высоковольтной части на конденсаторах может остаться опасное для жизни напряжение. Поэтому перед работой оденьте диэлектрические перчатки, убедитесь в отсутствии потенциала на конденсаторе, для уверенности замкните его контакты, и будьте предельно осторожны во время разборки!
  2. На радиатор нанесите термопасту тонким, однородным слоем и прислоните элемент Пельтье. Устанавливать нужно маркировкой к радиатору, это будет холодная сторона. Если Вы перепутаете стороны местами, в дальнейшем нужно будет поменять полярность проводов, чтобы термоэлектрический генератор работал правильно и не испортил преобразователь. Вместо термопасты вы можете использовать специальный теплопроводный клей, это будет даже лучше: не придется дополнительно крепить радиатор к корпусу.
    Первый шаг сборки
  3. К обратной стороне модуля прислоните корпус блока питания, как показано на фото ниже.
  4. Прикрепите радиатор к корпусу с помощью металлической проволоки.
  5. К выводам элемента припаяйте стабилизатор напряжения с выходом USB. Кстати, для этого можно сделать паяльник сделать своими руками.Следующий этап
  6. Аккуратно поместите 5-вольтовый преобразователь в радиаторе и переходите к испытаниям самодельного термоэлектрического генератора. Не забудьте заизолировать преобразователь с помощью изоленты.
    Итог работыПояснение

Работает термоэлектрический генератор следующим образом: внутрь печи Вы засыпаете дрова, мелкие щепки, поджигаете их и ждете несколько минут, пока одна из сторон термоэлемента не нагреется. Параллельно можно вскипятить воду на решетке. Для подзарядки телефона нужно, чтобы разница между температурами разных сторон была около 100 о С. Если охлаждающая часть (радиатор) будет нагреваться, его нужно будет остужать – аккуратно поливать водой, поставить на него кружку с жидкостью, льдом и т.д. Лучше крепить радиатор так, чтобы его ребра были расположены вертикально, это улучшает отдачу тепла воздуху.

А вот и видео, на котором наглядно показывается, как работает самодельный электрогенератор на дровах:

Самодельный аппарат с системой охлаждения

Также можно установить на холодную сторону устройства вентилятор от компьютера, что несколько изменит его конструкцию. Давайте рассмотрим этот вариант по подробнее:

В этом случае кулер будет затрачивать небольшую долю мощности генераторной установки, но в итоге система будет работать с более высоким КПД. Помимо телефонной зарядки модуль Пельтье можно использовать в качестве источника электроэнергии для фонарика, что не менее полезный вариант применения генератора. Еще одна особенность данной конструкции — это способность регулировать высоту над огнем. Для этого автор использует деталь от CD-ROMа (на одном из фото хорошо видно, как самому можно изготовить конструкцию).

Автономное электричество на даче

Конструкция самодельного электрогенератора

Регулятор высоты печки

Если сделать термоэлектрический генератор своими руками по такой методике, на выходе у Вас может быть до 8 Вольт напряжения, поэтому для подзарядки телефона, нужно подключить понижающий преобразователь, который сделает на выходе стабильные 5 В.

Ну и последний вариант самодельного источника электроэнергии для дома может быть представлен такой схемой: элемент между двух алюминиевых «кирпичиков», медная трубка (водяное охлаждение) и конфорка. Как результат – эффективный генератор, позволяющий получить бесплатное электричество в домашних условиях! Например, при остывании конфорки, когда ей никто не пользуется. Или очень часто люди используют печь для обогрева, так вот часть этой энергии может пойти на зарядку вашего гаджета.

Электрогенератор из подручных материалов

Вот мы и предоставили три простых варианта самодельного аппарата, который можно собрать из подручных средств. Теперь Вы знаете как сделать термоэлектрический генератор своими руками, на чем основан принцип работы элемента Пельтье и для чего его можно использовать!

Превращение тепла человеческого тела в электричество

Исследователи Университета штата Северная Каролина (NC State) разработали новую схему для сбора тепла, выделяемого человеческим телом. Собранное тепло преобразуется в электричество, которое затем используется для зарядки носимой электроники. Прототипы, находящиеся на данный момент на стадии экспериментальной проверки, отличаются небольшим весом и повторяют форму тела человека. Благодаря новой технологии система способна генерировать гораздо больше электроэнергии из вырабатываемого человеком тепла, чем все ранее созданные экспериментальные образцы.

Носимые термоэлектрические генераторы

Носимые термоэлектрические генераторы (TEG’и) получают электроэнергию за счет разницы температур человеческого тела и окружающего его воздуха.

«Предыдущие методы, которыми пользовались инженеры-исследователи, предусматривали применение радиаторов. Они были или тяжелыми, жесткими и громоздкими, или были способны вырабатывать мощность всего до одного микроватта на квадратный сантиметр (мкВт / см2)», — говорит Дариуш Вашаи (Daryoosh Vashaee), доцент Кафедры электротехники и вычислительной техники Университета штата Северная Каролина и автор данного научного исследования. — «В нашей технологии не используется радиатор, что делает ее легче и удобнее. Однако при этом генерируемая мощность достигает 20 мкВт / см2».

Новая система состоит из нескольких слоев. Первый слой выполнен из теплопроводного материала, который прилегает к коже и собирает тепло. Сверху этот материал покрыт полимерным изолирующим слоем. Он предотвращает рассеивание собранного тепла в окружающую среду. Тепло тела отводится в расположенный по центру термоэлектрический генератор (TEG), который занимает площадь в один квадратный сантиметр. Та часть тепла, которая осталась не преобразованной в электричество, проходит через TEG в наружный слой, состоящий также из теплопроводного материала. Здесь тепло быстро рассеивается. Вся эта многослойная система в сборе обладает отличной гибкостью. А ее толщина составляет всего 2 миллиметра.

«В данном прототипе генератор TEG занимает лишь один квадратный сантиметр. Но мы с легкостью можем сделать его больше. Размер генератора будет зависеть от того, сколько электроэнергии потребуется для того или иного устройства», — поясняет Дариуш Вашаи. Проект, над которым он работает, проводится в рамках деятельности Научно-исследовательского центра наносистемной техники (ASSIST), относящегося к университету NC State и функционирующего под эгидой Национального научного фонда США.

термоэлектрический генератор

Исследователи также обнаружили, что для сбора тепла самым оптимальным местом является верхняя часть руки. Вообще, более высокая температура поверхности кожи бывает обычно вокруг запястья. Но это очень ограниченная область, где, к тому же, часто нарушается контакт между кожей и термоэлектрическим генератором TEG. В то же время носить накладные полосы на груди тоже не рационально, поскольку в этой зоне из-за одежды наблюдается ограниченный поток воздуха. Следовательно, рассеивание тепла здесь также будет ограничено.

Для проведения экспериментов полосы материала с TEG вшили в футболки. Исследователи обнаружили, что вшитый в футболку генератор мог вырабатывать 6 мкВт / см2, если человек находился в состоянии относительного покоя, или 16 мкВт / см2, если он активно двигался.

«Футболки с TEG, безусловно, имеют право на существование и могут применяться для зарядки носимых устройств. Но они не так эффективны, как накладки на верхнюю часть руки», — говорит Вашаи.

Научно-исследовательский центр ASSIST ставит своей целью разработку носимых технологий, которые могут быть использованы для постоянного длительного мониторинга состояния здоровья человека. Это могут быть, например, такие устройства, которые позволяют отслеживать параметры работы сердца и, тем самым, контролировать его здоровье. Или же это может быть контроль физических и экологических показателей, которые имеют первостепенное значение для прогнозирования и предотвращения приступов астмы.

По утверждению Дариуша Вашаи добиться поставленных целей можно, но для этого нужно сделать так, чтобы устройства, осуществляющие контроль над состоянием здоровья человека, не зависели от состояния заряда батарей. Новая технология, которая была разработана усилиями исследователей из Университета штата Северная Каролина, позволяет в значительной мере приблизить тот момент, когда намеченные учеными цели станут реальностью».

Что такое термоэлектрический генератор?

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта Зеебека

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

  • 1 – медный проводник.
  • 2 – проводник из сурьмы.
  • 3 – стрелка компаса.
  • А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т.д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

  1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
  2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

  • Варочной поверхности.
  • Обогревателя.
  • Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

  • Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
  • Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
  • Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
  • Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
  • Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
  • Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

  • Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
  • Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
  • Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
  • Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Человеческое тепло станет вечным источником энергии?

Сможем ли мы в будущем подзаряжать бытовые приборы и гаджеты за счет бесплатной энергии, которую каждый день мы сами производим естественным образом, собственным теплом? Молодая инновативная швейцарская компания разработала технологию, преобразующую тепло человеческого тела в электрическую энергию.

Этот контент был опубликован 06 мая 2021 года — 07:00 06 мая 2021 года — 07:00 Луиджи Йорио

Журналист из Тичино, живущий в Берне, освещаю вопросы науки и общества в репортажах, статьях, интервью и аналитических материалах. Меня интересуют проблематика климата, энергетики и окружающей среды, а кроме того – все, что связано с миграцией, с помощью в целях развития и с правами человека.

  • Deutsch (de) Den menschlichen Körper zur Stromerzeugung nutzen
  • Español (es) Cuando el cuerpo humano se convierte en una central eléctrica
  • Português (pt) Quando o corpo humano se transforma em uma usina elétrica
  • 中文 (zh) 当人体成为一座发电站
  • Français (fr) Quand le corps humain devient une centrale électrique
  • عربي (ar) عندما يُصبح جسم الإنسان مُولّـدًا كهربائيًا
  • English (en) When the human body becomes a powerhouse
  • 日本語 (ja) 人間の体が電源になる日
  • Italiano (it) Quando il corpo umano diventa una centrale elettrica (Оригинал)

Русскоязычную версию подготовила Лейла Бабаева.

Забудьте на мгновение о солнечной энергии, биомассе, энергии ветра и гидроэнергетике. А что если будущие возобновляемые источники энергии кроются… в самих людях? Все мы смотрели «Матрицу» и по меньшей мере с тех самых пор знаем, что тело человека генерирует тепло. Злобные машины использовали в фильме этот феномен для того, чтобы, превратив людей в батарейки и «прокачав» им головы воображаемой реальностью, получить бесплатный и вечный источник энергии. Но что если эта технология однажды будет на самом деле реализована не в антиутопии, а на практике?

Когда у нас поднимается температура или когда мы занимаемся спортом, мы ощущаем внутреннее тепло. Это свойство нашего организма отличает нас от рептилий и других холоднокровных животных, а еще оно стало источником бесчисленных литературных метафор, от «энергичного» характера до «горячего сердца», к которому должны, как известно, должны прилагаться холодная голова и чистые (в коронавирусном смысле) руки. В то же время не все знают о том, что тепло человеческого тела действительно можно напрямую преобразовывать в электричество.

Читайте также  Чем закрыть перила на балконе?

Идея не нова, однако высокотехнологичные устройства, например, умные часы и фитнес-браслеты, способные приносить практическую пользу, и которые можно было бы выпустить на массовый рынок, были разработаны только в самые последние годы. Швейцарский стартап Mithras намерен закрепиться на этом пока нишевом рынке и предложить свои инновационные разработки. Созданная при поддержке Высшей технической школы Цюриха (ETH) в 2018 году, компания принадлежит к десяткам перспективных стартапов, возникающих сейчас в стране та стыке экономики, бизнеса и фундаментальной науки.

Показать больше

«Наша работа обеспечила полёт дрона Ingenuity на Марсе»!

Этот контент был опубликован 05 мая 2021 года 05 мая 2021 года Технологии, обеспечившие безотказную работу беспилотника Ingenuity, совершившего полёт над Марсом, не были бы созданы без швейцарских разработок.

«Я всегда хотел изобрести нечто, что имело бы большой потенциал развития и я интересовался сферой высоких технологий», — говорит Франко Мембрини (Franco Membrini), основатель и исполнительный директор компании Mithras. По образованию он историк, но его всегда привлекала перспектива изучения «энерго-теплового потенциала» человеческого организма поскольку он видел в этом «замечательную возможность внести вклад в создание сети децентрализованного производства электрической энергии», то есть сети, для которой не нужны столбы, провода, платины и огромные реакторы.

Потенциал: 10% потребляемой в мире энергии

Тепловая энергия, которую в среднем излучает человеческое тело за единицу времени, эквивалентна 100-ваттной электрической лампе накаливания. Большая часть этой энергии уходит без какой-либо пользы в окружающую среду, и вот как раз именно эти-то «отходы» молодая компания из города Кур что в кантоне Граубюнден и намерена использовать в качестве источника энергии с помощью термоэлектрического генератора (ТЭГ), который для выработки электроэнергии использует так называемый «эффект Зеебека».

Речь идет о разнице температур между поверхностью кожи и окружающей средой, за счет которой и получается даровое электричество. «Эта разница очень важна, чем она больше, тем больше выработка энергии, независимо от того, находитесь ли вы в полярном регионе или в пустыне. Чтобы начать вырабатывать электроэнергию достаточно разницы в один градус Цельсия», — объясняет 29-летний Франко Мембрини. Использовать всю тепловую энергию человеческого тела со 100-процентной эффективностью невозможно.

Тем не менее, «использование ТЭГ представляют собой, с нашей точки зрения, довольно многообещающую стратегию с огромным потенциалом». По его расчетам, тепло, вырабатываемое более чем 7,7 миллиардами жителей Земли, может обеспечить до 10 % от всей энергии, потребляемой на планете. «Каждый день взрослый человек выделяет в среднем 3 кВт⋅ч энергии, этого объема хватило бы на работу современного жидкокристаллического телевизора в течение 30 часов».

Оптимизация забытой технологии

«Использовать человеческую энергию в качестве возобновляемого источника электричества ученые и инженеры пытаются уже с начала 20 века», — напомнил Франко Мембрини, приведя в пример радиопередатчики, получавшие энергию за счет ручной динамо-машинки и широко распространенные в 1940-е годы. Однако быстрый прогресс, достигнутый в области производства аккумуляторов, отодвинул такие энергосистемы на второй план, которые могли бы подпитываться людьми. Успехи, достигнутым в области материаловедения и в сфере производства переносных устройств, энергия, производимая телом человека, снова вызывает живейший интерес инженеров.

«Эффект Зеебека»

Явление возникновения ЭДС (электродвижущей силы) на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Этот эффект иногда называют также «термоэлектрическим эффектом».

Открыт в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком (Thomas Johann Seebeck; 1770–1831). Результаты своих опытов он в 1822 году опубликовал в «Докладах Прусской академии наук» в формате статьи под названием «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур».

В 1980 году компания Bulova выпустила разработанные в г. Биль (кантон Берн) часы Thermatron, работающие за счет выделяемой телом энергии. Позднее их производство было прекращено из-за технических трудностей.

В 2009 году инженер ETH Цюриха Вульф Глатц (Wulf Glatz) получил премию ассоциации Swisselectric за разработку термоэлектрического генератора, использующего разницу температур между воздухом и источником тепла.

В 2013 году телекоммуникационная компания Vodafone и Саутгемптонский Университет представили спальный мешок, способный использовать тепло человеческого тела для заряда батареи мобильного телефона.

Термоэлектрические генераторы также используются в космосе. Они вырабатывали энергию для космических зондов «Вояджер» и «Галилео». Новейшее устройство установлено на марсоходе «Персеверанс», который недавно опустился на поверхность Марса.

End of insertion

«По сути мы взяли уже существующую технологию и просто оптимизировали ее для нужд нашей эпохи», — пояснил Франко Мембрини. В самом деле, «эффект Зеебека» известен ученым уже давно. Мы разговариваем с Рене Росси (René Rossi), директор «Лаборатории биомиметических мембран и тканей» швейцарской «Федеральной сертификационной Лаборатории материаловедения» (Empa). «До настоящего времени применение этого эффекта ограничивалось низкой энергоэффективностью предлагавшихся технических систем.

Показать больше

В швейцарских горах открылся первый в мире солнечный подъемник!

Этот контент был опубликован 11 апреля 2018 года 11 апреля 2018 года Владельцы гостиницы в Штауберне решили: почему бы не сделать для своих гостей подъем в гору настоящим высокотехнологичным приключением?

Но сегодня мы уже в состоянии перейти от масштаба милливатт к нескольким десятым частям 1-го Ватта, а это уже представляет с точки зрения рыночного потенциала значительную потребительскую и коммерческую ценность». По его словам, в настоящее время исследования ведутся в нескольких направлениях. «Например, мы разрабатываем умный текстиль, использующий солнечную энергию. Другие исследовательские рабочие группы стараются найти способ преобразования механической энергии в электричество, например, при помощи интеграции в подошвы обуви особых генераторов».

Заряжая во сне

Что касается компании Mithras, то она работает сейчас над реализацией двух идей. Во-первых, она хочет разработать мини-ТЭГ в виде носимого на запястье браслета, который можно было бы использовать для зарядки мобильных устройств. Во-вторых, компания ищет способ найти инженерное решение, при котором термоэлектрический генератор встраивался бы непосредственно в устройство и подключался бы к его батарее.

Единственным предварительным условием для производства электричества является прямой контакт устройства с телом. «Неважно, пьете ли вы кофе, занимаетесь ли спортом или спите, батарея будет заряжаться сама по себе», — говорит Франко Мембрини. В настоящее время на его фирме работают шесть человек, компания хочет сосредоточить все свои усилия в основном на разработке индивидуальных медицинских приборов, с учетом их, как правило, низкого энергопотребления.

Показать больше

Швейцарские стартапы: история невероятного взлета!

Швейцарские стартапы способны порой объединять и творчество и почти чудотворство!

«Мы хотели бы, чтобы в будущем такие устройства, как инсулиновые помпы, слуховые протезы или биодатчики, отслеживающие температуру тела и иные жизненно важные функции, были бы полностью автономными, не зависящими от внешних источников энергии. Ведь а таком случае можно избежать проблем, связанных как с отказом батарей, так и с возможными осложнениями в результате хирургической операции по их замене».

Эту технологию можно было бы применять и для зарядки мобильных телефонов, хотя они в настоящее время и не входят в список приоритетов компании Mithras. «С точки зрения нашей технологии обычный смартфон потребляет все еще слишком много энергии. В лучшем случае мы могли бы научиться продлевать срок действия его батарей», — резюмирует Франко Мембрини.

Статья в этом материале

  • «Наша работа обеспечила полёт дрона Ingenuity на Марсе»!
  • В швейцарских горах открылся первый в мире солнечный подъемник!
  • Швейцарские стартапы: история невероятного взлета!

Комментарии к этой статье были отключены. Обзор текущих дебатов с нашими журналистами можно найти здесь. Пожалуйста, присоединяйтесь к нам!

Если вы хотите начать разговор на тему, поднятую в этой статье, или хотите сообщить о фактических ошибках, напишите нам по адресу russian@swissinfo.ch.

Углеродные нанотрубки и лактатоксидаза помогли получить электричество из спящих людей

Американские ученые разработали устройство, способное получать электроэнергию из человеческого тела даже во время сна. Они соединили биотопливный элемент, который умеет собирать пот с кончиков пальцев и окислять содержащийся в нем лактат, и пьезоэлемент, который может вырабатывать дополнительную электроэнергию, когда человек печатает текст на компьютере или смартфоне. За десять часов сна устройство на одном пальце может запасти электроэнергию, достаточную для питания наручных часов в течение суток, а во время работы за компьютером — вдвое больше. Результаты исследования опубликованы в журнале Joule.

Электричество из человеческого тела можно получить разными способами: из тепла с помощью термоэлектрических генераторов, из механической энергии движений с помощью трибоэлектрических генераторов и пьезоэлементов, и даже путем окисления веществ, которые содержатся в нашем поте и слезах. Однако у большинства таких устройств есть общий недостаток — чтобы они начали работать человек должен активно двигаться и потеть (или хотя бы находиться в холодном помещении). То есть для того, чтобы превратить какую-то долю энергии в электричество, нужно параллельно потратить большое количество энергии просто так. А вот изготовить подобные устройства, которые могли бы получать электричество из человеческого тела в пассивном режиме, гораздо труднее.

Ученые из Калифорнийского Университета в Сан-Диего под руководством Джозефа Ванга (Joseph Wang) разработали устройство, которое может получать электроэнергию, даже когда человек находится в покое (например, спит). Их устройство представляет собой миниатюрный топливный элемент работающий на окислении лактат-ионов (молочной кислоты и ее солей), которые содержатся в человеческом поту. В такой ячейке на аноде под действием фермента лактатоксидазы ион лактата превращаются в ионы пирувата. а на катоде происходит реакция восстановления кислорода. Лактатные биотопливные элементы уже использовались ранее другими учеными, но Ванг и его коллеги разместили устройства в нетипичном месте — на кончиках пальцев. К биотопливной ячейке они добавили пьезоэлектрический элемент, который помогает получать дополнительную энергию, когда человек работает с клавиатурой, мышкой или дисплеем телефона.
Основу биотопливного элемента авторы работы изготовили из пористой пены на основе нанотрубок (УНТ-пены). Это прочный и гибкий материал, который эффективно впитывает воду и достаточно стабилен, чтобы выдержать нанесение всех остальных слоев. Для того, чтобы сделать платиновый катод, на УНТ-пену сначала методом электроосаждения нанесли медь и платину, а затем медь полностью растворили. Получились наночастицы платины в порах УНТ-пены. Анод изготовили, нанеся на УНТ-пену 1,4-нафтохинон, фермент лактатоксидазу и хитозан. После этого катод и анод соединили вместе, причем оказалось, что для получения максимальной мощности площадь анода должна быть вдвое больше, чем площадь катода. Чтобы облегчить адсорбцию пота, на внутреннюю поверхность биотопливного элемента, нанесли гидрогель из поливинилацетата. К внешней поверхности присоединили пьезоэлектрический элемент на основе титаната циркония и свинца, а для защиты все упаковали в полимерную пищевую пленку. Готовое устройство имеет площадь в один квадратный сантиметр, а к пальцу его можно прикрепить с помощью стандартной липкой ленты.

Строение биотопливного элемента

Yin et al. / Joul, 2021

За 10 часов сна биотопливный элемент на одном пальце может накопить до 400 миллиджоулей электроэнергии — этого достаточно для питания электронных наручных часов в течение суток. Когда человек работает за компьютером, его пальцы потеют сильнее, поэтому производство электроэнергии возрастает почти вдвое — до 79 миллиджоулей в час, а пьезоэлектрический элемент добавляет к этому еще около 30 миллиджоулей в час.

Авторы отмечают, что количество электроэнергии, выдаваемой биотопливным элементом, зависит от количества пота и содержания лактатов, поэтому для разных людей результат может отличаться более, чем в два раза. Эффективность пьезоэлектрической части была более постоянной, но тоже отличалась для разных испытуемых и при разных видах активности. Впрочем, выборка испытуемых в исследовании Ванга и его коллег пока что была совсем небольшой. Параметры, влияющие на количество полученной электроэнергии, авторы планируют подробнее изучить в будущих работах.

В марте мы писали об умной куртке, которая вырабатывает электричество двумя способами одновременно — правда человеку для этого все-таки приходится двигаться. Трибоэлектрические генераторы на рукавах работают за счет трения во время ходьбы и бега, а лактатный биотопливный элемент, похожий на тот, который использовали Ванг и его коллеги — и во время движения и после того, как оно прекратилось. В результате за десять минут быстрой ходьбы можно запасти электроэнергию для питания жидкокристаллического дисплея в течение тридцати минут.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector