0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

IT-Байки: солнечное электричество из нанотрубок

IT-Байки: солнечное электричество из нанотрубок

Изучение свойств первых полупроводников из кремния, германия, арсенида галлия и индия; последовавший затем выпуск первых полупроводниковых приборов — диодов, фотодиодов, светодиодов, тиристоров, транзисторов, сборок, микросхем, процессоров и пр., вызвал к жизни множество новых классов необычных устройств, аналогов которых ранее не существовало. И хотя в плане зарождения и становления первых вычислительных систем пальма первенства всё же принадлежит лампам, без полупроводниковых транзисторов не появилось бы микросхем (миниатюрные лампы – это было действительно печальное зрелище), а без микросхем не появились бы настольные и мобильные ПК, удивительная мобильная связь и половина привычных чудес нашего века. Опять же, фотоэффект был открыт давным-давно, но было бы возможно массовое преобразование энергии солнца в электричество без полупроводников?

Сегодня же мы находимся в обратной ситуации: есть множество известных сфер применения полупроводников и огромный спрос на более производительные, экономичные и дешёвые полупроводники. Есть даже настойчивое желание заменить сегодняшние полупроводниковые материалы на что угодно, лишь бы не останавливался технический прогресс. Ведь в конечном счёте совсем неважно из чего будут сделаны полупроводники будущего, главное, чтоб были лучше нынешних.

Итого, в отличие от первопроходцев, мы уже точно знаем зачем нам нужны новые полупроводники. Таким образом, можно предположить, что потенциально любые исследования учёных в этой области чрезвычайно выгодны. Ибо когда дойдёт до практической, коммерческой фазы внедрения новых типов полупроводников, дело пойдёт гораздо более быстрыми темпами, чем в своё время это происходило с первыми полупроводниками.

Пожалуй, именно этим в первую очередь можно объяснить такой высокий интерес международного учёного сообщества и их спонсоров к исследованиям в области перспективных материалов для создания новых полупроводников. По сути, никто ведь всерьёз не планирует открыть у новых полупроводников какие-то невиданные свойства вроде чтения мысленных волн, будет достаточно того, что они покажут лучшие характеристики в уже известных приложениях.

В наших публикациях мы уже неоднократно освещали тему многообещающих полупроводников на базе углеродных нанотрубок (CNT, Carbon Nanotube). Самая простая однослойная углеродная нанотрубка представляет из себя мономерную углеродную структуру, способную демонстрировать как металлические, так и полупроводниковые свойства. Свойства многослойных трубок ещё разнообразнее, но сегодня речь не об этом.

Эпоха полупроводникового кремния, по многим признакам, закончится достаточно скоро – ориентировочно в ближайшее десятилетие. Не исключено, что к тому времени ему найдётся несколько вариантов «замены» – вплоть до искусственных ДНК, однако потенциал уже обнаруженных и исследованных полезных свойств многочисленных типов полупроводниковых углеродных нанотрубок (semiconducting nanotubes, s-SWNT) столь разнообразен и велик, что уж который год именно эти трубки позиционируются в качестве основного кандидата на замену кремнию.

В последние годы учёные значительно ускорили исследования свойств полупроводников на базе углеродных нанотрубок. И хотя о массовом внедрении этих новинок пока говорить рано – как-никак, речь всё же о нанометровых технологиях, никаких сомнений в перспективном будущем CNT-полупроводников нет. Уже разработаны сравнительно простые способы получения обоих типов CNT-полупроводников – и n-, и p-типа; имеется великое множество лабораторно подтверждённых способов создания высокопроизводительных диодов, транзисторов, светодиодов и даже некоторых подобий матриц. А в последнее время учёные заговорили даже о возможности создания солнечных батарей на базе полупроводников из углеродных нанотрубок.

В последнем выпуске журнала Science от 11 сентября 2009 года группа учёных из Корнельского университета (Cornell University, Итака, Нью-Йорк) под руководством профессора физики Пола МакЭуна (Paul McEuen) и доцента химических и химико-биологических наук Дживунга Пака (Jiwoong Park) представила статью с подробным описанием свойств фотодиода на базе отдельной углеродной нанотрубки.

Более того, уже на этом, первичном этапе, учёным удалось смоделировать реальное приложение – отдельную ячейку солнечной батареи, и в процессе исследования добиться очень высокой эффективности преобразования света в электричество.

В своих экспериментах учёные использовали однослойные углеродные нанотрубки (Single wall carbon nanotube, SWNT), изготовленные с применением стандартной фотолитографической технологии. Полупроводниковый 3-4 мкм канал с молибденовыми контактами 50-нм толщины и 1-мкм областью каждого из двух затворов был сформирован с помощью электронно-лучевого выпаривания на легированной кремниевой подложке с 100-нм слоем оксида кремния, а сами нанотрубки диаметром 1-4 нм выращивались способом химического осаждения из паровой фазы с применением катализатора на основе железа при температуре 700-1050°C. В конце процесса были сформированы контактные площадки для нанотрубки (5-нм хром, 50-нм золото).

Измерение вольт-амперных характеристик полученных приборов показало свойства, типичные для полевых транзисторов на базе углеродных нанотрубок с проводимостью p-типа и n-типа. Для последующих экспериментов были отобраны образцы с устойчивой областью срабатывания между проводимостью p-типа и n-типа. Размеры нанотрубок, измерявшиеся электронным микроскопом Dimension 3100, столь малы, что сравнить их можно разве что с габаритами молекулы ДНК.

Работы по изготовлению полупроводников на основе углеродных нанотрубок учёные проводили в рамках более широкого эксперимента по изучению свойств CNT-диодов. Однако на одном из этапов исследований было решено провести дополнительные опыты по воздействию на полученные устройства внешним источником света с различной длиной волны, для чего применялся настраиваемый аргоново-криптоновый лазер (LS 2) и настраиваемый инфракрасный лазер (LS 3). Сам полупроводник при этом размещался в гелиевом криостате (CRYO), охлаждённом до температуры 4К.

Результаты экспериментов позволяют говорить о получении стабильной фотоэлектронной эмиссии с помощью полупроводников на основе углеродных нанотрубок в широком диапазоне световой гаммы. Более того, в перспективе, по утверждениям учёных, такие полупроводники могут оказаться чуть ли не идеальными фотоэлементами для солнечных батарей. Они, в отличие от современных солнечных батарей, не растрачивают часть собранной энергии в виде побочной генерации тепла и не требуют дополнительного охлаждения.

Собственно говоря, это всё, что на сегодняшний день существенного можно рассказать об исследованиях фотодиодов на базе полупроводников из углеродных нанотрубок, проводящихся в Корнельском университете. Дальше начинаются научно-популярные фантазии журналистов и самих учёных, прямо заинтересованных в повышенном внимании к изучаемым ими вопросам. Мол, в будущем углеродные трубки станут основой нового поколения полупроводников для солнечной энергетики, будут трудиться в устройствах фотоники будущего и так далее. К сожалению, в публикации ни слова про хотя бы примерные сроки доведения идеи до массового внедрения: если учёные готовы рассуждать о великих выгодах, но никак не обозначают перспективы коммерциализации – хотя бы обозримым десятком лет, это верный знак того, что исследования находятся в самом начале.

Однако точно можно быть уверенным в одном: без мощной финансовой поддержки такие исследования точно не останутся. Как бы долго не длилась исследовательская фаза, рано или поздно наступит пора ставить технологию на поток, и уж тогда все спонсорские вложения окупятся многократно. Вложения в столь перспективный хайтек всегда окупаются. Хотелось бы, чтобы об этом не забывало и российское правительство.

Материалы для дополнительного чтения:

  • IT-байки: луч нанокристалла в царстве оптоэлектроники
  • IT-байки: На ближних подступах к эре графеновой электроники
  • IT-байки: За миллиард лет до стирания памяти
  • IT-байки: Электроника-2020 – жизнь после смерти кремния
  • IT-байки: Графан — сын графена, дедушка электроники будущего
  • IT-байки: Электроника будущего — бумажная, органическая, фотонная?
  • IT-байки: 4D наномикроскоп — Виват, атомное кино!
  • IT-байки: наномир вторгается в микросхемы
  • IT-байки: нанотрубки — будущее электроники?
  • IT-байки: нанотехнологии – Клондайк или панацея?

IT-Байки: солнечное электричество из нанотрубок

Очередной воскресный выпуск IT-баек мне вновь хотелось бы посвятить теме несовершенства современного мира. Если бы кому-нибудь когда-нибудь пришло бы в голову сделать символ этого несовершенства, пожалуй, в центр такой эмблемы я бы предложил поместить современный автомобиль. Да, внешне, безусловно, все автомобили по-своему красавцы. Но даже если не принимать во внимание клубы ядовитого дыма, ежесекундно вырывающиеся из миллионов выхлопных труб и постоянно растущие цены на топливо, всё равно останется много поводов раскритиковать устройство современного автомобиля.

Возьмём для примера двигатель – безмерно горячий и неработоспособный без специальных мер охлаждения. Куда всё это девается, какая польза от этого тепло? Да, собственно, никакой. По разным оценкам, всего лишь порядка 25% энергии, вырабатываемой бензиновым двигателем, тратится на приведение автомобиля в движение, в то время как порядка 60% энергии тратится впустую, в том числе, на сброс тепла разогретого двигателя.

Увы, современный гибридный автомобиль — явление в плане экологии более чем условное (см. нашу статью Гибридные автомобили: экологичная экономия на колесах). Безусловно, экономия топлива и кое-какая экологичность в этом есть, но всерьёз о заботе об окружающей среде можно будет говорить лишь тогда, когда понятие гибридный автомобиль будет подразумевать наличие бензинового/дизельного двигателя в качестве вспомогательного к основному – например, электрическому, а не наоборот, как сейчас. Электромобили, которым сулят великое будущее, также пока что далеки от массового (и, главное, бюджетного) внедрения.

Так что на сегодняшнем этапе самым разумным делом остаётся борьба за улучшение современных автомобилей, и сегодня мы поговорим о том, как минимизировать потери хотя бы от непроизводительного нагрева двигателя.

Итак, задача – научиться превращать тепло автомобильного двигателя в электричество компактными устройствами с максимально возможным КПД. Каждый из нас с ходу может предложить десятки приложений, где такой преобразователь нужен уже сейчас. Постоянные читатели нашего сайта, скорее всего, в качестве примера такого устройства первым делом припомнят так называемый элемент Пельтье, однако вне компьютерного мира в качестве наиболее интересного примера чаще всего приводится двигатель автомобиля, охлаждение которого представляет серьёзную проблему, да и тепло в любом случае теряется попусту. Впрочем, та же технология с лёгкостью может быть задействована в стационарных генераторах электричества, тепловых помпах и т.д.

Читать еще:  Tokyo Mirage Sessions #FE — музыкальное приключение

Именно вопросы охлаждения печки автомобильного двигателя рассматривали в качестве главнейшей цели исследователи из Высшей школы Нанотехнологий при Университете Огайо (Ohio Eminent Scholar in Nanotechnology at Ohio State University), когда занимались разработкой новых материалов для конвертирования тепла в электричество. В статье под названием Enhancement of Thermoelectric Efficiency in PbTe by Distortion of the Electronic Density of States, опубликованной в последнем выпуске журнала Science, исследователи из Огайо описывают материал, вдвое эффективный по сравнению с любыми другими предложениями в этой области.

Подобные материалы обычно называют термоэлектрическими, а польза от них оценивается коэффициентом (zT), рассчитанным по эффективности конвертирования тепла в электричество при заданной температуре.

До сих пор наиболее эффективным термоэлектрическим материалом, используемым в коммерчески выпускаемых термоэлектрических генераторах, считался сплав теллурида свинца с добавками натрия, который обладает термоэлектрическим коэффициентом 0.71. Новый материал – теллурид свинца с присадками таллия (Tl-doped PbTe), обладает коэффициентом на уровне 1.5, что более чем вдвое превышает показатели предыдущего лидера .

К слову упомянуть, на базе наноматериалов из теллурида свинца в настоящее время разрабатывается великое множество термоэлектрических проектов. Например, в лаборатории NASA Langley Research Center учёные работают над специальным покрытием для высотных самолётов, где тепло солнечной энергии непосредственно преобразовывалось бы в электричество.

Впрочем, есть ещё один важный параметр, без учёта которого нет смысла говорить о коммерческом внедрении. Имеется в виду диапазон температур, при котором термоэлектрический материал наиболее эффективен. Как выяснилось в результате экспериментов, теллурид свинца с присадками таллия наиболее эффективно преобразует тепло в электричество в диапазоне температур 450-950° Фаренгейта, что примерно соответствует 232-510°С. Оверклокеров, скорее всего, такие рабочие температуры разочаруют, и, тем не менее, именно этот диапазон является типичным для тепловыделяющих систем вроде автомобильного двигателя.

Новый материал отлично справляется с работой , говорит Джозеф Хереманс (Joseph Heremans), руководитель проекта в Университете Огайо. Новый материал производит электричество точно так же, как это делают обычные тепловые двигатели – паровые, газовые или дизельные, объединённые в пару с электрическим генератором. В отличие от них термоэлектрический генератор в качестве рабочей жидкости вместо воды или газа использует непосредственно электроны .

Раз уж зашла речь об автомобилях, самое время вспомнить об упомянутом в начале статьи КПД двигателя. Термоэлектрический генератор, установленный на двигатель, мог бы сделать обычный автомобиль значительно эффективнее. Более того, термоэлектрический генератор весьма практичен благодаря отсутствию движущихся частей, он вполне может пережить не один автомобиль (в полной аналогии со съёмными объективами для зеркальных фотокамер). При этом габариты термоэлектрического генератора невелики — Джозеф Хереманс оценивает соотношение размеров изобретённого ими генератора с другими тепловыми преобразователями как транзистор относится к вакуумной электронной лампе .

Теперь – самое интересное, об обещанных нанотехнологиях . Но для начала необходимы некоторые пояснения методики разработки новых термоэлектрических материалов.

Дело в том, что для увеличения количества энергии, вырабатываемой термоэлектрическим преобразователем, инженеры при исследованиях свойств новых структур обычно пытаются уменьшить количество проходящего через исследуемый материал и остающегося не преобразованным в электричество тепла. Таким образом, типичная стратегия состоит в создании термоэлектрического материала с уменьшенной термической проводимостью.

В лаборатории Университета Огайо для уменьшения термической проводимости учёные внедряли в исследуемые материалы так называемые нанопровода . Работать с такими структурами пока непросто: не всегда они достаточно стабильны, пока что достаточно трудно производимы в больших количествах, к тому же не так-то просто подключаются к традиционным электрическим цепям и внешним источникам тепла.

Работая с новым термоэлектрическим материалом, учёные применили совершенно другую стратегию: перестав на время обращать внимание на капризности наноструктур, они сфокусировали своё внимание на другой цели – конвертации максимального количества тепла, полученного материалом, в электричество. Для этого пришлось обратиться к некоторым современным идеям квантовой механики.

Ещё в 2006 году группа других исследователей опубликовала в журнале Physical Review Letters заметку о межатомном взаимодействии некоторых элементов вроде таллия и теллура на квантово-механическом уровне, в результате чего возникает резонанс электронов таллия и термоэлектрическим материалом из теллурида свинца. Таким образом было обнаружено специфическое изменение поведения электронов таллия при близком соседстве с атомами теллура. На протяжении порядка десяти лет исследователи изучали этот эффект на примере разных типов наноструктур, правда, добились небольшого прогресса.

Учёные из Огайо решили повторить эксперимент, однако сразу решили заменить типичные наноструктуры на полупроводниковые.

Дальше – дело техники и нескольких групп учёных по всему миру. Так, Владимир Йовочич (Vladimir Jovovic), коллега Джозефа Хереманса, сделал эти тезисы базой своей докторской диссертации; исследователи из Университета Осаки (Osaka University), Кен Куросаки (Ken Kurosaki), Анек Чаронфакди (Anek Charoenphakdee) и Шинсуке Яманака (Shinsuke Yamanaka), создали образцы нового материала для тестирования. Затем учёные из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), Джеффри Шнайдер (G. Jeffrey Snyder), Эрик Тоберер (Eric S. Toberer) и Али Сарамат (Ali Saramat), провели тестирование образцов при высоких температурах.

Учёные из Огайо провели исследования свойств нового материала при низких температурах, а также привели экспериментальные доказательства физической сути полученного эффекта. Как раз в результате этих экспериментов было выяснено, что при температуре порядка 200 с небольшим градусов Цельсия материал на основе теллурида свинца с присадками таллия ведёт себя сравнимо с обычным теллуридом свинца с присадками натрия, то есть, его термический коэффициент составляет те же 0.75. И лишь по мере приближения к температуре порядка 500°С новый материал выдаёт пиковый коэффициент порядка 1.5.

В своих экспериментах исследователи использовали образцы в форме параллелепипеда с дискообразным сечением, нарезанные на диски длиной 8 мм, сечением 1×1 мм2. Разумеется, учёные уже подали патентную заявку на новый термоэлектрический материал, однако на этом останавливаться не намерены, поскольку совершенно уверены, что с помощью термоэлектрических нанотехнологий термоэлектрический коэффициент можно довести до отметки 2 в самом ближайшем будущем.

Ради справедливости также стоит упомянуть, что в начале этого года группа других исследователей из Бостонского колледжа, Массачусетс, смогла получить термоэлектрический материал с коэффициентом zT=1.4 с помощью совершенно иной технологии – физического изменения кристаллической структуры соединения висмута, сурьмы и теллура, благодаря чему удалось увеличить КПД преобразователя. Учёные из обеих групп полагают, что улучшить их результаты можно также с помощью комбинации обеих методик.

Полагаю, вам также будет интересно узнать, что идея отвода излишнего тепла от двигателя с целью его преобразования в электричество отнюдь не чужда производителям автомобилей. Например, компания Rolls Royce уже инвестировала несколько миллионов фунтов стерлингов в зарегистрированный в Гибралтаре проект Power Chips.

Термоэлектрические генераторы Power Chips предполагается использовать в аэрокосмической области, для создания новых типов электромобилей и пр., в том числе, в выше упомянутом качестве – для отвода тепла от двигателей нынешних автомобилей. Правда, в целях и задачах Power Chips сразу упомянуто: никаких экзотических или дорогих материалов ( Marginal cost of Power Chips, in production, could be as low as pennies per watt capacity ).

У компании уже имеется толстый пакет патентов и даже прототипы, однако о коммерциализации проекта, насколько я понял, речи пока нет.

К сожалению, финал сегодняшней заметки не будет мажорным: ни в одном материале, изученном при подготовке статьи, мне не удалось обнаружить чёткие обещания, вроде термоэлектрические наноструктуры для охлаждения автомобильных двигателей будут внедрены в массовое производство через такое-то количество лет . Впрочем, речь не только об автомобильных двигателях: похоже, все эти эксперименты не собираются покидать стен лабораторий учёных в ближайшее время.

И всё же, именно тот, кто патентует такие технологии сегодня, будет пожинать плоды своей работы завтра. К этому ведут и регулярно ужесточающиеся экологические требования многих развитых стран, к этому ведёт продолжающийся рост цен на топливо. Те, кто не будет задумываться об экономии и экологии сейчас, уже завтра вылетят в трубу – как в прямом, так и в переносном смысле.

IT-Байки: солнечное электричество из нанотрубок

Компании, которые занимаются коммерческим производством солнечных панелей, посчитают за счастье, если их установки смогут преобразовывать солнечный свет в электричество с эффективностью в 20 % — улучшение даже на 1 % будет считаться большим прогрессом. Но природа, которая на протяжении миллиардов лет совершенствовала свою «технологию» фотосинтеза способна на гораздо большее: зеленые серные бактерии, обитающие на океанских глубинах, куда едва добирается свет, могут поглощать 98 % энергии, которую он в себе несет.

Ученые Массачусетского технологического института разработали искусственную систему, в основе которой лежит модель светопоглощения, используемая глубоководными бактериями. Дальнейшие достижения в понимании этого фундаментального процесса открывают принципиально новые возможности для создания высокопроизводительных фотоэлементов. Результаты их работы опубликованы в научном журнале Nature Chemistry.

Искусственная структура американских исследователей состоит из самоорганизующихся пигментных молекул, которые формируются в двухслойные нанотрубки идеальной формы. Эти микроскопические образования, с шириной около 10 нанометров и длиной в несколько тысяч раз больше, полностью копируют размеры, форму, и функции естественных рецепторов зеленых серных бактерий, улавливающих крошечные доли солнечного света, которым удалось пробраться сквозь толщу воды.

Ученые организовали искусственные молекулы-красители в нанотрубки с амфифильными свойствами – свойствами молекул органических веществ, при которых они одновременно наделены гидрофильными (хорошо впитывающий воду) и гидрофобными (водоотталкивающий) особенностями. В итоге светопоглощающие свойства пигментов на порядок возросли, благодаря прочным связям отдельных молекул в образованных микроструктурах. В ходе анализа работы системы исследователи выяснили, что взаимодействие между наружным и внутренним слоями двухслойной нанотрубки является незначительным, а эффективность поглощения солнечного света может корректироваться в зависимости от ориентации составляющих ее молекул.

Читать еще:  Trailblazers — маляр на колесах

«Это один из величайших секретов природы – как поглощать солнечное излучение с такой эффективностью», — говорит Dörthe M. Eisele, один из авторов проекта. Также ученые отмечают, что именно этот тип нанотрубок вряд ли найдет практическое применение. Целью эксперимента, по большей части, было изучение основополагающих принципов, которые в будущем будут применяться при создании оптимальных материалов для различных солнечных энергетических установок и может пройти еще некоторое время, прежде чем первые солнечные батареи на нанотрубках будут производить электричество с большей энергоэффективностью.

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Как вырабатывать электричество крутя педали?

Актувльны такие устройства и сейчас. Когда нефть и газ закончится у всех, электричество можно будет получать только из динамо-машин с педальным приводом ;). Поэтому предлагаю всем немедленно наладить производство такой электроэнергии.

Как вырабатывать электричество крутя педали? Для получения киловатт-часа энергии необходимо вращать педали примерно 10 часов. Нет никакого смысла говорить о промышленных масштабах производства электроэнергии с помощью педальных генераторов. Тем не менее такой способ получения электрического тока требуется достаточно часто, потому что с помощью мускульной силы мы можем вырабатывать электричество где угодно без потребления топлива, днём и ночью. Оборудование дешёвое и практически не требует технического обслуживания.

В основном они требуются в двух случаях:

— Для подзарядки батарей для мобильных устройств во время путешествий на велосипеде.
— Для выработки как можно большего количества электроэнергии на стационарных педальных генераторах.

Внутреннее устройство двигателя втулки

Педальные велогенераторы предназначены для получения электричества в отдалённых районах, где неудобно использовать солнечные батареи неудобны. Генератор для велосипеда может вырабатывать до 300 Вт электроенерги (в среднем 40-150 Вт в зависимости от велосипедиста).

В интернете дано много рекомендаций, как своими руками сделать велосипедный генератор, работающий за счёт вращения педалей. Самодельные генераторы не лучший выбор, так как они содержат много редких ненужных деталей или требуют много работы по адаптации генератора к велосипеду, страдают от проблем с трением, проскальзыванием ремня и быстрого износа.

С ростом популярности электрических велосипедов купить педальный втулочный электрогенератор стало проще. Сейчас хороший выбор вело-мотор-генераторов китайского производства, которые уже можно купить менее чем за 100 евро. В них магниты перенесены на ротор, а медная обмотка неподвижна. Достаточно неплохие динамо-машины.

Как правильно выбрать велогенератор.

Мотор устанавливается на неподвижный велосипед — это задний втулочный мотор (переднее колесо неподвижного велосипеда не вращается).

Для хорошей производительности в моторе должны использоваться современные редкоземельные постоянные магниты, велогенератор должен быть бесщёточной конструкции. Для получения хорошего эффекта инерции, он должен быть тяжёлым и представлять собой электрическое велосипедное колесо. Для уменьшения механических потерь мотор должен быть прямоприводным/не использовать передач на шестерёнках.

Чтобы человек мог справится с педалированием в течении длительного времени, мотор должен давать мощность не менее 200 Вт. Чем больше — тем лучше (снижаются потери, возрастает масса). Напряжение мотора должно превышать заданное выходное напряжение, чтобы оно не падало ниже критического значения, даже во время педалирования не на полную мощность.

На втором фото показано внутреннее устройство мотор-колеса, исполненного в виде втулочного генератора на 24 В, 500 Вт производства Golden Motor / Jiangsu, заряжающего аккумулятор 12 В.

Установка генератора на велосипед.

Найдите велосипед — любую рухлядь, но с работающими передней осью, педалями, цепью, седлом и желательно задним переключателем. Замените заднее колесо на втулочный мотор. Установите велосипед на опору так, чтобы заднее колесо могло свободно вращаться. Также можно подвесить зад велосипеда, чтобы он совсем не касался земли, взять подставку из металлических кронштейнов, установленных на деревянное основание.

Вернуть велосипед в его исходное состояние можно очень быстро — нужно лишь снять с опоры и поставить колесо назад.

Электрическая схема подзарядки аккумуляторов с помощью педального генератора. Мотор-генератор расположен слева схемы, выходящее напряжении (+/-12 В) — справа. К выходу можно подсоединить любую нагрузку: лампочки, люминесцентные лампы, светодиодное осветительное оборудование, радио, портативное зарядное устройство для мобильного телефона, телевизор, спутниковый ресивер, инвертор. Все подключённые устройства должны быть рассчитаны на 12 В.

Схема мощного педального генератора

Разберём схему более детально. Велосипедный генератор производит 3-трёхфазный переменный ток, который перед использованием необходимо преобразовать в постоянный. Трёхфазный выпрямитель можно сделать из шести диодов или приобрести в готовом виде (используется в ветроэнергетике). Он выглядит как обычный мостовой выпрямитель, только снабжён пятью клеммами вместо четырёх. Выпрямитель должен быть рассчитан не меньше чем на 100 В и 35 А. Каждый из диодов должен выдерживать такое же напряжение, но только половину тока (20 А). Для выпрямителя требуется некоторое охлаждение — поэтому прикрепите его к большой металлической детали.

Выходная мощность выпрямителя не может напрямую подаваться на лампочку или телевизор, так как при педалировании не вырабатывается стабильное напряжение. Оно будет колебаться между нулём и максимумом и может повредить оборудование. Данная проблема решается подсоединением аккумулятора параллельно к выходу выпрямителя, который будет поглощать лишнюю мощность вырабатываемую генератором и заполнять промежутки времени, когда генератор не вырабатывает достаточно мощности или даже останавливается на короткое время. Аккумулятор не обязательно должен быть большим или каким-то особенным — подходит любой свинцово-кислотный аккумулятор. Если он имеет большую ёмкость это тоже неплохо. Можно использовать старый аккумулятор компьютерного ИБП на 12 В 16 А·ч. Для домашнего применения рекомендуются герметичные аккумуляторы, не выделяющие газов.

На схеме есть и другие компоненты. Один из них это плавкий предохранитель, который нужен на случай короткого замыкания. Аккумулятор производит настолько сильный ток, что даже может воспламенится кабель. Рекомендуется кабель 2.5 мм2 и плавкий предохранитель на 30 А. Также на схеме есть два измерительных прибора (нет на фотографии). Один вольтметр (со своим плавким предохранителем) и один амперметр. Несмотря на то что педальный генератор работает и без них, вольтметр крайне рекомендуется ради исправности аккумулятора. Лучше брать цифровой вольтметр. Как только на нём высветится 14 В (для систем на 12 В) нужно прекратить вращать педали. Никогда не превышайте 15 В. Напряжение также не должно падать ниже 10.5 В. Аналоговый амперметр (с нулевой отметкой в середине шкалы) не очень важен, но он показывает идёт ли закачка энергии в аккумулятор (в итоге ведущая к полной зарядке аккумулятора) или потребление (ведущее к разряду аккумулятора). В схеме не может использоваться цифровой амперметр, так как ток меняется слишком часто, что не позволяет стабильно считывать показания. Диапазон амперметра зависит от отводимого нагрузкой тока. Лучше всего купить с диапазоном +/- 20 А.

Экологически чистый источник энергии: углеродные нанотрубки придут на смену литий-ионным аккумуляторам

Поглощают тепловую и световую энергию, преобразовывая её в механическую и наоборот

В наши дни батарейки и аккумуляторы, обеспечивающие электропитание широкого спектра гаджетов, производятся из таких токсических материалов, как литий. Между тем мировые запасы этого материала постепенно исчерпываются, да и токсичных отходов становится всё больше.

К тому же, несмотря на явный прогресс в эволюции электроники, за последние 25 лет аккумуляторные батареи не претерпели каких-то особых изменений — прорывов в этой области технологий не было с начала 1990-х. Следовательно, аккумуляторы — главный ограничитель прогресса мобильных устройств.

Однако теперь благодаря изобретению американских учёных электричество можно вырабатывать за счёт тепловой энергии, при этом не прибегая к применению токсических веществ.

Нить из парафина и углеродных трубок, которую создала команда инженеров Мичиганского технологического университета (Michigan Technological University), при нагревании преобразовывает тепловую энергию в электрический ток.

Но для начала нужно инициировать цепную реакцию: воспламенить одну из нитей, чтобы та заставила другие нити «отдавать» свои ионы — вырабатывать электрическую энергию. Для этого эти самые нити необходимо покрыть горючим составом. Но каким, спросите вы? Вот вам ответ: в качестве «топлива» (горючего компонента) можно использовать даже обычный сахар.

«Уникальность разработанных нами аккумуляторов заключается в том, что углеродные нанотрубки могут работать на любом виде топлива, — говорит профессор химии Майкл Страно (Michael Strano). – Тепловые импульсы запускают «волны» электронов, создавая, таким образом, электрический ток».

Майкл Страно и его коллеги начали разработку этой технологии в 2010 году. За это время им удалось значительно повысить её эффективность, если сравнивать с первым прототипом. Так, последняя модель аккумулятора из углеродных нанотрубок может вырабатывать заряд, которого достаточно для работы одной LED-лампы. В то же время по оценкам самих инженеров, пока что потенциал новой технологии удалось освоить всего лишь на 1% от её возможностей.

По словам учёных, уникальность их ноу-хау заключается ещё и в том, что микроскопические размеры нанотрубок позволяют создавать очень компактные батарейки для нового поколения малогабаритной техники, которую можно будет «вшивать», например, в одежду.

Кроме этого, в отличие от обычных батареек, которые разряжаются, если ими долго не пользоваться, углеродные аккумуляторы обладают практически безграничным сроком службы.

«Результаты работы американских учёных наглядно демонстрируют, как уменьшив массо-габаритные параметры, можно увеличить объем и срок службы аккумуляторов», — говорит Курош Калантар-Задех (Kourosh Kalantar-Zadeh), профессор электро- и вычислительной техники из Королевского мельбурнского технологического института (Royal Melbourne Institute of Technology). — В будущем с помощью углеродных нанотрубок можно будет вырабатывать огромные объёмы электроэнергии».

Читать еще:  Microsoft купила облачную игровую платформу PlayFab

Как добыть атмосферное электричество своими руками из ничего

Одной из самых больших ценностей современного мира является электричество. В связи с ростом стоимости энергоносителей человечество пытается находить альтернативные и доступные источники энергии, склоняясь к самым радикальным решениям. Некоторые энтузиасты прикладывают массу усилий, чтобы добыть электричество из ничего, а их идеи порой выглядят просто безумно.

Общая информация

В течение многих лет ученые ищут альтернативный источник электрической энергии, который позволит получать электричество из доступных и восстанавливаемых ресурсов. Возможность добыть ценные ресурсы из воздуха интересовала еще Теслу в XIX веке. Но если энтузиасты прошлых веков не имели в своем распоряжении столько технологий и изобретений, как современные исследователи, то сегодня возможности по реализации самых сложных и безумных идей выглядят вполне реально. Получить альтернативное электричество из атмосферы можно двумя методами:

  • благодаря ветрогенераторам;
  • с помощью полей, которые пронизывают атмосферу.

Наукой доказано, что электрический потенциал способен накапливаться воздухом за определенный промежуток времени. Сегодня атмосфера настолько пронизана различными волнами, электроприборами, а также естественным полем Земли, что получить из нее энергоресурсы можно без особых усилий или сложных изобретений.

Классическим способом добычи энергии из воздуха является ветрогенератор. Его задача заключается в преобразовании силы ветра в электричество, которое поставляется для бытовых нужд. Мощные ветровые установки активно используются в ведущих странах мира, включая:

Однако одна ветряная установка способна обслужить лишь несколько электроприборов, поэтому для питания населенных пунктов, фабрик или заводов приходится устанавливать огромные поля таких систем. Помимо существенных плюсов у этого способа есть и недостатки. Один из них — непостоянность ветра, из-за чего нельзя предугадать уровень напряжения и накопления электрического потенциала. В числе плюсов ветрогенераторов выделяют:

  • практически бесшумную работу;
  • отсутствие вредных выбросов в атмосферу.

Реальность или миф

Когда речь идет о получении энергии из воздуха, большинство людей думает, что это откровенный бред. Однако добыть энергоресурсы буквально из ничего вполне реально. Более того, в последнее время на тематических форумах появляются познавательные статьи, чертежи и схемы установок, позволяющих реализовать такой замысел.

Принцип действия системы объясняется тем, что в воздухе содержится какой-то мизерный процент статистического электричества, только его нужно научится накапливать. Первые опыты по созданию такой установки проводились еще в далеком прошлом. В качестве яркого примера можно взять знаменитого ученого Николу Теслу, который неоднократно задумывался о доступной электроэнергии из ничего.

Талантливый изобретатель уделил этой теме очень много времени, но из-за отсутствия возможности сохранить все опыты и исследования на видео большинство ценных открытий осталось тайной. Тем не менее ведущие специалисты пытаются воссоздать его разработки, следуя найденным старым записям и свидетельствам современников. В результате многочисленных опытов ученые соорудили машину, которая открывает возможность добыть электричество из атмосферы, то есть практически из ничего.

Тесла доказал, что между основанием и поднятой пластиной из металла присутствует определенный электрический потенциал, являющий собой статическое электричество. Также ему удалось определить, что этот ресурс можно накапливать.

Затем ученый сконструировал сложный прибор, способный накапливать небольшой объем электрической энергии, используя лишь тот потенциал, который находится в воздухе. Кстати, исследователь определил, что незначительное количество электроэнергии, которая содержится в воздухе, появляется при взаимодействии атмосферы с солнечными лучами.

Рассматривая современные изобретения, следует обратить внимание на устройство Стивена Марка. Этот талантливый изобретатель выпустил тороидальный генератор, который удерживает намного больше электроэнергии и превосходит простейшие разработки прошлых времен.

Полученного электричества вполне хватает для функционирования слабых осветительных приборов, а также некоторых бытовых устройств. Работа генератора без дополнительной подпитки осуществляется в течение большого промежутка времени.

Простые схемы

Желая добыть атмосферное электричество своими руками, следует рассмотреть различные схемы и чертежи. Некоторые из них настолько простые, что даже начинающий изобретатель без особых трудностей сможет воплотить их в жизнь и создать примитивную установку. Важно отметить, что современные сети и линии электропередач вызывают дополнительную ионизацию воздушного пространства, что повышает количество электрического потенциала, содержащегося в атмосфере. Остается научиться добывать его и накапливать.

Наиболее простая схема подразумевает использование земли в качестве основания и металлической пластины в виде антенны. Такое устройство может накапливать электроэнергию из воздуха, а затем распределять ее для решения бытовых задач.

При создании такой установки не приходится задействовать дополнительные накопительные приборы или преобразователи. Между металлической землей и антенной устанавливается электрический потенциал, который имеет свойство расти. Однако из-за непостоянной величины предугадать его силу очень проблематично.

Принцип работы такого устройства чем-то напоминает молнию — когда потенциал достигает пиковой отметки, происходит разряд. Из-за этого можно добыть из земли и атмосферы внушительный объем полезных ресурсов.

Среди плюсов вышеописанной схемы следует выделить:

  1. Простоту реализации в домашних условиях. Такой опыт можно с легкостью выполнить в домашней мастерской, используя подручные материалы и инструменты.
  2. Дешевизну. При создании устройства не придется покупать дорогие приспособления или узлы. Достаточно найти обычную металлическую пластину с токопроводящими свойствами.

Однако кроме плюсов есть и существенные недостатки. Один из них заключается в высокой опасности, связанной с невозможностью рассчитать примерное количество ампер и силу импульса. Также в рабочем состоянии система создает открытый контур заземления, способный притягивать молнию. Именно по этой причине проект не приобрел массового распространения.

Генератор Стивена Марка

Есть еще одна интересная и рабочая схема — генератор TPU, позволяющий добыть электричество из атмосферы. Ее придумал знаменитый исследователь Стивен Марк.

С помощью этого прибора можно накопить определенный электрический потенциал для обслуживания бытовых приборов, не задействуя при этом дополнительную подпитку. Технология была запатентована, в результате чего сотни энтузиастов пытались повторить опыт в домашних условиях. Однако из-за специфических особенностей ее не удалось пустить в массы.

Работа генератора Стивена Марка осуществляется по простому принципу: в кольце устройства происходит образование резонанса токов и магнитных вихрей, которые вызывают появление токовых ударов. Для создания тороидального генератора нужно придерживаться следующей инструкции:

  1. В первую очередь следует подготовить основание прибора. В качестве него можно использовать отрезок фанеры в форме кольца, кусок резины или полиуретана. Также необходимо найти две коллекторные катушки и катушки управления. В зависимости от чертежа размеры конструкции могут отличаться, но оптимальным вариантом являются следующие показатели: наружный диаметр кольца составляет 230 мм, внутренний — 180 мм. Ширина составляет 25 мм, толщина — 5 мм.
  2. Необходимо намотать внутреннюю коллекторную катушку, используя многожильный медный провод. Для лучшего взаимодействия применяют трехвитковую намотку, хотя специалисты уверены, что и один виток сможет запитать лампочку.
  3. Также следует подготовить 4 управляющие катушки. При размещении этих элементов нужно соблюдать прямой угол, иначе могут появиться помехи магнитному полю. Намотка этих катушек плоская, а зазор между витками составляет не больше 15 мм.
  4. Осуществляя намотку управляющих катушек, принято задействовать одножильные провода.
  5. Чтобы выполнить установку последней катушки, следует применить заизолированный медный провод, который наматывают по всей площади основания конструкции.

После выполнения перечисленных действий остается соединить выводы, установив перед этим конденсатор на 10 микрофарад. Питание схемы осуществляется с помощью скоростных транзисторов и мультивибраторов, которые подбираются с учетом размеров, типа проводов и других конструкционных особенностей.

Способы добычи энергии из земли

Не секрет, что легче всего добывать электричество из твердой и влажной среды. Самым популярным вариантом является почва, в которой сочетается и твердая, и жидкая, и газообразная среда. Между мелкими минералами содержатся капли воды и пузырьки воздуха. К тому же в почве присутствует еще одна единица — мицелла (глинисто-гумусовый комплекс), которая является сложной системой с разницей потенциалов.

Если внешняя оболочка создает отрицательный заряд, то внутренняя — положительный. Мицеллы с отрицательным зарядом притягивают к верхним слоям ионы с положительным. В результате в почве постоянно осуществляются электрические и электрохимические процессы.

Учитывая тот факт, что в почве содержатся электролиты и электричество, ее можно рассматривать не только как место для развития живых организмов и выращивания урожая, но и как компактную электростанцию. Большинство помещений концентрирует в эту оболочку внушительный электрический потенциал, который подается с помощью заземления.

В настоящее время используется 3 способа добычи энергии из почвы в домашних условиях. Первый заключается в таком алгоритме: нулевой провод — нагрузка — почва. Второй подразумевает использование цинкового и медного электрода, а третий задействует потенциал между крышей и землей.

В первом варианте напряжение в дом подается с помощью двух проводников: фазного и нулевого. Третий проводник, заземленный, создает напряжение от 10 до 20 В, чего вполне хватает для обслуживания нескольких лампочек.

Следующий способ базируется на получении энергии только из земли. Для этого нужно взять два стержня из токопроводящих материалов — один из цинка, а другой из меди, а затем установить их в землю. Желательно использовать тот грунт, который находится в изолированном пространстве.

Найти промышленные устройства для получения электрики из земли проблематично, ведь их практически никто не продает. Но создать такое изобретение своими руками, следуя готовым схемам и чертежам, вполне реально.

Полезные советы

Создавая прибор по добыче электроэнергии из воздуха, необходимо помнить об определенной опасности, которая связана с риском появления принципа молнии. Чтобы избежать непредвиденных последствий, важно соблюдать правильность подключения, полярность и прочие важные моменты.

Работы по изготовлению устройства для получения доступного электричества не требуют больших финансовых затрат или усилий. Достаточно подобрать простую схему и в точности следовать пошаговому руководству.

Конечно же, сверхмощный прибор своими руками создать проблематично, так как он требует более сложных схем и может обойтись в кругленькую сумму. А вот что касается изготовления простых механизмов, то такую задачу можно реализовать в домашних условиях.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector