ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Фізика — 05.04.22
    ТЕКСТ: Вітана Олійник
    Ілюстрації: Іра Донська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Домашня електростанція своїми руками

    Як зарядити телефон, коли вимкнули електроенергію? Можна створити власні генератори. Це непросто, але можливо за наявності необхідних елементів. Разом із «Екодія» та SolarWind розповідаємо, як знайти електроенергію, коли вимкнули централізоване постачання. 

    На батьківщині Єремії Торонки, Сьєрра-Леоне, лише 26% жителів мають доступ до енергії. Коли Єремії виповнилося 10 років, його взяли до престижної школи. Він потрапив наче в інший світ, адже у школі освітлення не бракувало, а в його громаді зовсім не було електрики. Люди опалювали будинки дровами й використовували гасові генераториГасові генератори виробляють енергію, споживаючи тепло гасової лампи., внаслідок чого мали проблеми з диханням. Пожежі також не були тут рідкістю. Та найбільше страждали діти, бо через брак світла вони не могли робити домашні завдання, а відтак – отримати хорошу освіту.

     

    Через сім років, навчаючись в Африканському університеті лідерства в Руанді, Торонка заснував інноваційний стартап Optim Energy. Його метою було виробляти чисту, доступну та надійну енергію. «Доступ до енергії, – на думку Торонки, – це право людини. Ми не можемо функціонувати в суспільстві без енергії».

     

    Єремія знайшов спосіб переробляти кінетичну енергію, тобто енергію предметів у русі, в електрику. Він розробив п’єзоелектричнийП’єзоелектрика – це електричний заряд, який накопичується в деяких твердих матеріалах (кристалах, певній кераміці та біологічній речовин) у відповідь на застосоване механічне навантаження. Означає електрику, що виникає внаслідок дії тиску, руху та тепла. пристрій, який використовує енергію тепла, руху та тиску – усього, що трапляється в навколишньому середовищі. 

     

    П’єзоелектричні пристрої функціонують завдяки п’єзоефекту – виникненню електричних зарядів (п’єзоелектрики) на гранях деяких кристалів під час їхньої деформації. Кристали, що при стисненні продукують електричний заряд і навпаки, під дією електричної напруги змінюють форму – стискаються, розширяються, скручуються, згинаються, – називаються п’єзоелементами. Такими властивостями володіють, наприклад, кварц, турмалін, сегнетова сіль.

     

    П’єзоелектричний ефект відкрили П’єр і Жак Кюрі у 1880 році. Через 40 років Поль Ланжевен створив ультразвуковий перетворювач для передавання і приймання інформації – прообраз тих, що використовуються для навігації у сучасних підводних човнах. П’єзоефект використовується у величезній кількості електронних приладів: від годинників, фотоапаратів, комп’ютерів, побутових пристроїв до медичного обладнання.

    У приладі від Optim Energy електричний заряд створюється внаслідок п’єзоелектричного ефекту та електромагнітної індукціїЯвище електромагнітної індукції винайшов у 1831 році Майкл Фарадей. Він встановив, що струм виникає при зміні магнітного поля. Якщо підносити й віддаляти від рамки з провідником постійний магніт, то змінюватиметься напруга, з’являтиметься електричний струм. Ще краще це явище проявляється, якщо вставляти (виймати) магнітне осердя в котушку з намотаним провідником. через численні крихітні мідні котушки та магніти.

     

    Якщо встановити цей пристрій під дорогою, він поглинатиме вібрації, створювані транспортом і пішоходами, та перетворюватиме їх на енергію електричного струму. Такий пристрій є нешкідливим для довкілля та не залежить від погодних умов.

     

    Перші два прилади Єремія Торонка встановив у своїй громаді, Кантолу. Він зміг безкоштовно забезпечити електроенергією 150 домогосподарств (1500 осіб) і 15 шкіл, де навчаються понад 9000 учнів. За своє відкриття Торонка отримав Молодіжну Премію Співдружності, яку щороку присуджують п’яти молодим людям, що змінюють життя у своїх громадах і допомагають досягти цілей сталого розвитку ООН2,3.

     

    У 2022 році Україна зіткнулася з відключенням від енергії цілих населених пунктів, як-от Чернігова та Маріуполя. На якийсь час електрика зникала навіть на атомних електростанціях – ЧАЕС та ЗАЕС. Від великих електростанцій залежать надто багато споживачів, тому аварійна ситуація на одній із них залишає без струму надто багато розеток.

     

    Інноваційний прилад Єремії Торонки – не єдина альтернативна можливість забезпечити людей електроенергією. Для цього варто пригадати фізику та повторювати крок за кроком лайфгаки, якими ми залюбки ділимося з вами.

    Схема №1: заряджання мобільного телефона від автомобільного акумулятора під час блекауту

     

    Блекаут – це аварія в енергосистемі, внаслідок якої споживачі залишаються без електрики. Якщо світла немає кілька годин, то можна запалити свічки, або швидше лягти спати. А як підзарядити телефон?

     

    Існує декілька способів отримання напруги 12В з 5В. Саме від напруги 5В постійного струму працюють телефони та інша гарнітура, що має інтерфейс USB. Від напруги 12В постійного струму працюють роутери wi-fi.

     

    Для цієї схеми потрібні акумулятор, зарядний пристрій від прикурювача та зарядний шнур до ґаджета.

     

    Спочатку шукаємо акумулятор, від якого будемо підзаряджати телефон. У багатьох з нас є автомобілі або інші пристрої, які мають акумуляторну батарею. Будь-яка домашня пожежна або охоронна сигналізація містить герметизований блок акумуляторної батареї ємністю 12В-7Агод або подібний.

     

    Далі потрібно знайти зарядний пристрій від автомобільного прикурювача. Такі зарядні пристрої з виходом USB, схожі на патрони до лічильників, ми використовуємо для зарядки телефонів у автомобілях. Приєднуємо зарядний пристрій до акумулятора, вставляємо зарядний провід у USB-вихід пристрою, а з іншого боку підключаємо до телефона –  і вуаля! – мобільний заряджається. 

    Швидкість заряду може бути мала, але це краще ніж нічого. Але якщо блекаут довготривалий, то акумулятор також потрібно буде зарядити. Не перегортайте: у нас є кілька ідей, як це зробити.

    Схема №2: велогенератор

     

    Ви, мабуть, чули про електрогенератори з велосипедів. Для такого експерименту найкраще підійде старий вживаний велосипед, який уже не використовується. Велогенератор вироблятиме струм напругою 12 і 220 вольт. Завдяки цьому пристрою можна за 1-1,5 години зарядити акумулятор. Якщо повільно обертати педалі, виробляється електричний струм 5А, напругою 220В. Прискорення обертання видає понад 10А, але існує ризик, що згорить запобіжник. Після цього використовуйте схему №1 або приєднайте інвертор і зарядіть електроприлади.

     

    Електогенератори складаються з двох частин – ротора (рухомої) та статора (нерухомої). На ротор діє механічна сила. У пристрої Торонки – рух предметів і людей дорогою, у велогенераторі – обертання колеса, а, наприклад, у вітрогенераторі, про який ітиметься далі, – енергія вітру. Статор – магніт або мідна котушка. Рухомі електричні заряди, які потрапляють у магнітне поле, під дією сили ЛоренцаСила, що діє на рухомий електрон, що перебуває в електромагнітному полі. Завдяки їй працюють компаси. генерують електричну напругу між кінцями провідника.

     

    Електроегенратором є двигун, який ми використаємо у цій та наступній схемах. Щоб ротор двигуна (шків, обертовий елемент) обертався, нам потрібно діяти на нього механічною силою. Отже, сідлайте свого залізного коня та крутіть педалі, або ж довіртеся енергії вітру.

    Для велогенератора нам знадобляться:

    – дерев’яні бруски 2х4, щоб зробити підставку;

    – двигун на 12В (можна придбати в автомобільному магазині мотор вентилятора, використати мотор старого авто);

    – приводний (клиновий) ремінь (можна замовити або зняти зі с/г техніки), а якщо немає, то 

    – насадка на вісь мотора – можна використати патрон від дриля;

    – безперебійник (ДБЖ) для персонального комп’ютера чи інвертор, що перетворює струм з 12В на 220В (можна купити в автомобільному магазині чи радіоелетроніки);

    – діод на 10 ампер: Д214, Д242, Д215, Д232, КД203 і т.д. (можна купити в магазині радіоелетроніки, викрутити зі старої техніки);

    – провід;

    – велосипед;

    – акумулятор на 12 вольт (що вище потужність, то на довше вистачить його заряду);

    – викрутка, гайковий ключ, шурупи та цвяхи.

     

    Спочатку потрібно відкрутити заднє колесо велосипеда, щоб зняти шину і камеру. Після цього прикручуємо колесо назад.

     

    Далі робимо підставку, щоб підняти велосипед з землі. Її конструююємо так, щоб заднє колесо велосипеда було приблизно на висоті 10-15 см над землею. Єдина частина велосипеда, яка повинна працювати, – ланцюг і педалі.

     

    Наступним кроком прикріплюємо клиновий ремінь до заднього колеса. Необхідно виміряти відстань від двигуна до колеса, щоб підібрати розмір ременя.

     

    Якщо у вас немає такого ременя або неможливо його купити, тоді потрібно буде до мотора прикріпити патрон (можна взяти патрон від дрелі) так, щоби він щільно притискався до колеса. З цією метою патрон можна підтягнути пружиною.

     

    Прикріплюємо двигун до підставки. Необхідно надійно закріпити приводний ремінь на валу двигуна. Ремінь і вал двигуна повинні обертатися одночасно, між ними не має бути ковзання.

     

    Далі підключаємо діод послідовно з двигуном і акумулятором. Під’єднуємо мінусовий провід мотора до мінусової клеми акумулятора, плюсовий провід мотора – до анода діода. Катод повинен бути приєднаний до плюсової клеми акумулятора. Переконайтеся, що діод пропускає тільки струм від двигуна до акумулятора. 

     

    Підключаємо проводи акумулятора до інвертора. Ви можете використовувати адаптер для підключення акумулятора до інвертора або припаяти чи приклеїти дроти акумулятора до інвертора, щоб електричне коло було надійним. Обов’язково правильно під’єднайте плюсову та негативну клеми акумулятора до інвертора, інакше перегорить запобіжник. Замість інвертора можна підключити безперебійник. Нарешті, до інвертора або безперебійника підключаємо пристрій, який хочемо зарядити.

    Схема 3: вітрогенератор

     

    Якщо у вашому домі знайдеться алюмінієва каструля або відро, з них можна змайструвати саморобний вітряк4. Для цього ми використаємо такі матеріали:

    – автомобільний двигун на 12В;

    – гелевий або кислотний автомобільний акумулятор на 12В; 

    – напівгерметичний вимикач різновиду «кнопка» на 12В; 

    – інвертор (перетворювач) 700Вт-1500Вт і 12В-220В; 

    – відро, каструля великого об’єму або інша містка ємність з нержавіючої сталі або з алюмінію; 

    – автомобільне реле контрольної лампи заряду або зарядки акумулятора; 

    – автомобільний вольтметр (можна будь-який); 

    – болти з гайками та шайбами; 

    – дроти перетином 4 мм² і 2,5 мм²; 

    – два хомута для закріплення генератора на щоглі.

     

    Починаємо з виготовлення лопатей для нашого вітряка. Якщо робити їх з відра, то його слід розділити на 4 пропорційні частини спеціальними ножицями, призначеними для металу, або болгаркою. Якщо ріжете болгаркою, то стежте за тим, щоб не перегріти метал (окрім випадку, якщо відро з оцинкованої сталі або фарбованої жерсті). На дні і на шківі (обертова частина) двигуна необхідно розмітити і просвердлити отвори для кріплення болтів. Важливо, щоб отримані отвори розташовувалися симетрично один одному.

    Після цього лопаті слід трохи відігнути за годинниковою стрілкою (залежно від руху вітру), не засильно – щоб уникнути сильних поривів. Прикріпляємо відро до шківа, обертової частини автомобільного двигуна, болтами. Встановлюємо генератор на щоглу, фіксуємо хомутами. 

     

    Оскільки вітер може у будь-який момент припинитися, вітрогенератори не підключають напряму до електричних пристроїв, а пропускають струм через акумулятори. Для під’єднання акумулятора потрібно взяти дроти перетином 4 мм². Вистачить відрізка довжиною 1 метр. Далі приєднуємо інвертор за допомогою таких самих дротів 4 мм², а вже до нього – свій пристрій, який потрібно зарядити.

    До акумулятора напряму можна підключити лампочку за допомогою проводів перетином 2,5 мм².

     

    Якщо ж ви свого часу встановили на подвір’ї чи на даху будинку сонячні панелі для виробництва електроенергії, то їх також можна використати.

    Схема №4: заряджання акумулятора від сонячної панелі

     

    Для цієї схеми, окрім акумулятора, знадобиться фотоелектричний модуль (фотомодуль або сонячна панель) – напівпровідниковий прилад, що перетворює енергію сонячних променів у електричну. З таких фотомодулів складаються сонячні електростанції. Якщо поблизу вас є сонячні панелі, достатньо буде взяти один такий модуль.

     

    Фотомодулі мають номінальну напругу 24В. Це забагато для заряду 12В акумуляторного блоку, якому бажано створювати 13,6В напруги для заряду, інакше пристрій вийде з ладу. Навіть 24В – це лише номінальне значення. У панелях з потужністю 250-330Вт робоче значення напруги буде більшим ніж 24В і становитиме 32В (+/-2В залежно від виробника панелей). В панелях з більшою потужністю робоча напруга буде ще більша. Щоб зберегти «життя» акумулятора, потрібно буде контролювати процес заряджання.

     

    Для акумуляторної батареї ідеальний струм заряду буде на рівні 10% від її ємності. Наприклад, для 65А/год акумулятора, що міститься в більшості легкових авто, оптимальний струм заряду буде 6А. Натомість свинцево-кислотний акумулятор, навіть герметизований (AGM, а тим більше гелевий) може приймати без проблем 30% струм заряду.

     

    Нам підійде фотомодуль потужністю 250Вт, який може створити максимальний струм 8-9А. Модуль потужністю 330Вт і 400Вт розвиває струм 11А, він також підходить. Можемо навіть використати панелі з робочим струмом 17А.

    Як підключити фотомодуль і контролювати процес заряджання?

     

    Якщо у вас є мережева сонячна електростанція (таку встановлюють для продажу надлишків електроенергії за «зеленим» тарифом), то потрібно переробити схему підключення панелей. Для цього приєднуємо групу послідовно з’єднаних фотомодулів (їх ще називають «стрінги») так, щоб одна пара дротів була підключена до однієї панелі. Цю пару від’єднуємо від інвертора – приладу для зміни постійного струму в змінний на сонячних панелях – і підключаємо до акумулятора. 

     

    У такий спосіб ми підключаємо панель напряму до акумуляторів і заряджаємо. Це буде дещо екстремальний режим заряду – постійним струмом. У наших розетках струм змінний, що береже прилади в будинках від стрибків напруги. Якщо акумулятор розряджений, то струм заряду буде максимальний і дорівнюватиме робочому струмові фотомодуля. Стежимо за напругою на акумуляторі – вона повинна підніматися. Коли напруга сягне 15В, доведеться припинити заряд, щоб запобігти руйнації внутрішньої структури акумулятора.

    Цей спосіб зарядки підійде для всіх автомобільних акумуляторів: від легкових автомобілів до вантажівок. Його можна використовувати в найбільш екстремальних випадках, коли підручних засобів обмаль.

     

    Щоб покращити цю схему, за бажання, можна в коло акумуляторної батареї додати плавкі запобіжники, що призначені для захисту електричних мереж від перевантажень і коротких замикань.

     

    Ще краще, коли є контролер заряду, але його не завжди можна знайти. Контролер заряду перетворює напругу фотомодуля в потрібну для заряджання акумулятора напругу – 13,6В. З контролером заряду процес буде автоматичним і не буде вимагати постійного контролю та відключення.

     

     

    Якщо вам вдасться відшукати ще й автомобільний інвертор 12-220В, який перетворюватиме постійний струм акумулятора на змінний, то ви отримаєте автономну сонячну електростанцію. Такі інвертори бувають з потужностями 150Вт-1500Вт. Їх можна замовити в інтернеті. Інвертора потужністю 150Вт вистачить для заряджання телефонів, роутерів та освітлення. З інвертором 300Вт можна підживлювати  опалювальні котли, а за потужності 1000-1500Вт працюватимуть холодильники. Такі інвертори можуть знадобитися і для літніх вилазок на природу.

    Схема №5: заряджання мобільного телефона або роутера від фотомодуля

     

    Є ще одна схема використання сонячних панелей (фотомодулів), якщо блекаут тривалий. Для її реалізації приготуйте:

    – мікросхему 7805 (містяться у фотомодулях, також їх можна замовити в інтернет-магазинах);

    – акумулятор 12В;

    – конденсатор (за наявності в інтернет-магазині, але не обов’язково);

    – фотомодуль номінальною потужністю до 100Вт;

    – транзистор (за бажанням).

     

    Щоб зарядити один телефон, достатньо однієї мікросхеми 7805. Такі мікросхеми призначені для стаблізації напруги. Цей варіант можна реалізувати навіть без додаткових конденсаторів для накопичення заряду (на схемі, що додається, вони є). На виході ми створимо 5В, що достатньо для заряджання телефона. 

     

    Подавати на мікросхему можна лише напругу від акумулятора 12В або невеликих фотомодулів номінальною потужністю до 100Вт. Схему можна приєднати до алюмінієвого корпусу сонячної панелі, який буде слугувати також радіатором охолодження. 

     

    Для одночасної зарядки декількох ґаджетів схему треба підсилити транзистором, який дозволяє керувати струмом. Ось приклад подібної схеми, де мікросхема 7805 керує базою більш потужного транзистора.

    З транзистором можна завдяки змінному опору зробити на виході 12В (або навіть 13,6В) для живлення роутера чи заряду акумулятора напругою 12В, який ми використовували у першій схемі.

    Схема №6: підігрів води за допомогою фотомодулів

     

    Якщо ж у вас немає гібридного (або автономного) інвертора з акумуляторами, а є лише мережева електростанція, можна спробувати інший варіант. Щоправда, ця схема складніша за попередні та потребує більше знань з електроніки.

     

    Для того, щоб бойлер підігрів воду, потрібно підключити до нього сонячні панелі. Для цього ми використаємо:

    – сам бойлер (з нагрівальним елементом, ТЕН на 2-3кВт);

    – кілька послідвно з’єднаних фотомодулів (стрінги);

    – автовмикачі QF1 на 25А та QF2 (можна придбати в магазинах радіоелектроніки);

    – триполюсний контактор (шукайте в магазинах радіоелектроніки).

     

    Спочатку приєднуємо групу послідовно з’єднаних фотомодулів (стрінги) в групу з 6–8 сонячних панелей, щоб робоча напруга була в діапазоні 200-245В. Якщо буде менша, то слабо грітиме, а за більшої – перегорить нагрівальний елемент бойлера (ТЕН). Для панелей з робочим струмом до 11А підійде звичайний ТЕН на 2кВт. Для панелей 17А використовуємо ТЕН на 3кВт.

     

    Далі потрібно підключити все це напряму без інверторів. Для цього використовуємо автоматичний вмикач QF1 на 25А для з’єднання, а QF2 – для ввімкнення і вимкнення системи. Для наступних кроків нам потрібен також триполюсний контактор, що з’єднує струми. У самому бойлері знаходимо термореле, що контролює температурні режими. Триполюсний контактор і термореле згодяться для автоматичного включення та виключення нагріву (подачі напруги). Розривати коло треба саме такою змійкою послідовно підключеного обладнання, щоб гасити дугу високої напруги постійного струму. Можливий також інший варіант змійки, коли один полюс розривається один раз, а другий два рази через такий самий триполюсний контактор. Контактор краще брати щитовий або ж корпусний – у вигляді щитка. 

    Однак контактору потрібне живлення. 24В-версію контактора, напевно, буде важко знайти. Звичайному триполюсному контактору також буде потрібно якесь малопотужне джерело 220В змінного струму. Інакше потрібно відключати панелі вручну, стежачи за температурою води.

     

    Для цього замість контактора використовуємо триполюсний запобіжник-автомат. Підключення змійкою відбувається, як і раніше. Найімовірніше, з часом автомат таки вигорить через дугу високої напруги постійного струму. Але деякий час він прослужить і у вас буде гаряча вода.

     

    У продажу бувають ТЕНи нагріву масляних картерів для дизельних двигунів. Вони розраховані на напругу 24В і їхня потужність становить до 300Вт. Такий ТЕН можна під’єднати до невеликого резервуару з водою і подати на нього напряму напругу з однієї панелі.

    Схема №7: використання сонячних панелей без інвертора, акумулятора і без мережі

     

    Для цієї схеми нам стануть в пригоді імпульсні блоки живлення. Вони автоматично перетворюють струм зі змінною напругою 220В та частотою 50Гц у такий, що має стабільну постійну напругу 12В. Це обладнання використовують для домофонів, сигналізацій (зокрема пожежних та охоронних систем), світлодіодного освітлення, а також камер та інших елементів відеоспостереження

     

    Імпульсні блоки живлення можуть сприймати не тільки напругу 220В змінного струму, але й постійного струму такого ж значення. Щоб отримати з панелей напругу 220В постійного струму потрібно з’єднати послідовно 6–8 фотомодулів. До кінцевих виводів можна приєднати подовжувач.

     

    Таким чином будуть працювати зарядки мобільних телефонів, блоки живлення ноутбуків та інші імпульсні блоки живлення, наприклад, блок персонального (стаціонарного) комп’ютера. Він створює на виході 12В та 5В, якими можна заряджати телефони і живити модеми чи роутери. Для запуску цього блоку живлення потрібно закоротити зелений провід з будь-яким чорним.

     

    Єремія Торонка розробив свій пристрій передусім для того, щоб діти в його громаді могли отримувати освіту та мали шанс на краще майбутнє. А ми цей текст написали, щоб ви не втрачали зв’язок з рідними. Завжди, але особливо зараз, нам так важливо отримувати підтримку найдорожчих.

    ТЕКСТ: Вітана Олійник
    Ілюстрації: Іра Донська
    Статті
    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Космос
    Що таке сонячні плями і чи впливають вони на людей

    Чи можуть спалахи на Сонці та магнітні бурі провокувати погане самопочуття в людей?