LOW←TECH MAGAZINE Polski

Jak zbudować generator rowerowy z panelem sterowania

Sun, 06 Mar 2022 00:00:00 +0000

Image: Generator rowerowy w dużym pokoju.

Artykuł

Instrukcja obsługi

Wprowadzenie

Podsumowanie

W Internecie i w książkach znajdziemy wiele instrukcji opisujących, jak zbudować własny generator prądu na pedały. Jednak gdy postanowiliśmy sami zbudować taki generator rowerowy, stwierdziliśmy, że jeśli idzie o jego praktyczne wykorzystanie, to dostępne instrukcje są niepełne. Koncentrują się przede wszystkim na budowie samego źródła energii, a stosunkowo mało uwagi poświęcając temu, co się z wygenerowaną energią dzieje.

Postanowiliśmy więc zająć się praktyczną kwestią wykorzystania energii generowanej przez człowieka. Nie tylko zbudowaliśmy generator prądu, ale także skonstruowaliśmy panel sterowania w postaci “deski rozdzielczej” przymocowanej do kierownicy. Deska rozdzielcza umożliwia zasilanie lub ładowanie wielu różnych urządzeń, niezależnie od napięcia, jakiego potrzebują. Ponadto nasz projekt daje możliwość jednoczesnego zasilania wielu urządzeń naraz, dzięki czemu rowerzysta może regulować opór na pedałach w celu dostosowania go do zamierzonego treningu.

Staraliśmy się również ulepszyć sam generator rowerowy. Choć dobre podręczniki są dostępne, chcieliśmy, aby źródło prądu było łatwe w budowie (nie wymagało spawania ani korzystania ze skomplikowanych narzędzi), wygodne podczas pedałowania, możliwie kompaktowe i aby nie rzucało się w oczy. Nasz generator rowerowy stoi w małym salonie i jest używany regularnie. Rozwiązanie znaleźliśmy we wcześniej nam nieznanym, zabytkowym rowerze stacjonarnym wyposażonym w koło zamachowe.

Próby i błędy

Generator rowerowy i tablica rozdzielcza zostały zaprojektowane i wykonane we współpracy z Marie Verdeil w ramach jej stażu w Low-tech Magazine. Nie mogliśmy znaleźć potrzebnej specyfikacji technicznej, więc zastosowaliśmy metodę prób i błędów. Okazało się to czasochłonne i kosztowne, ale dzięki temu nauczyliśmy się wiele i wyciągnęliśmy cenne wnioski. Popełniliśmy wiele błędów, których Wy będziecie mogli uniknąć.

Nie jesteśmy inżynierami, więc z radością wysłuchamy Waszych propozycji ulepszeń technicznych.

Osoby pierwszy raz odwiedzający naszą stronę mogą przeczytać kilka wcześniejszych artykułów, na których opiera się ten projekt generatora rowerowego (tłumaczenia na język polski nie są jeszcze dostępne): The short history of pedal powered machines (2018).

Generator rowerowy

Istnieje wiele sposobów na zbudowanie prądnicy rowerowej, a każdy z nich ma swoje zalety i wady. Oparliśmy naszą elektrownię na pedały na zabytkowym rowerze stacjonarnym z lat 50. ubiegłego wieku. Nasz rower został wyprodukowany przez hiszpańską firmę BH, ale podobne zabytkowe modele można znaleźć w każdym miejscu uprzemysłowionego świata.

Image: Rower stacjonarny z lat 50. Z przodu ma ciężkie koło zamachowe.

Koło zamachowe

Wybraliśmy stary rower z kilku powodów. Po pierwsze i najważniejsze, stare rowery treningowe mają z przodu duże koło zamachowe. Generatory rowerowe bez koła zamachowego - a te stanowią obecnie większość - prawdopodobnie skończą, zbierając kurz w garażu, ponieważ pedałowanie na nich jest męczące i niewygodne.

Koło zamachowe jest niezbędne, ponieważ pedałowanie na rowerze stacjonarnym to zupełnie inne doświadczenie niż jazda na rowerze. Siła, z jaką nasze stopy naciskają na pedały, osiąga najwyższą wartość co 180 stopni obrotu korby. Ma to niewielki wpływ na wysiłek rowerzysty, kiedy jedziemy po drodze, ze względu na bezwładność poruszającego się pojazdu i rowerzysty.

Z kolei na rowerze stacjonarnym nierównomierny wydatek mocy powoduje szarpanie i dodatkowe obciążenie elementów roweru. Koło zamachowe, dzięki swoim dużym masie i prędkości obrotowej, rozwiązuje ten problem. Wyrównuje ono różnice pomiędzy szczytami obciążenia i zapewnia komfortowe pedałowanie. Rowerzysta męczy się wolniej i może generować więcej energii. Dzięki kołu zamachowemu generator utrzymuje stabilniejsze napięcie prądu.

Nasze podejście umożliwia zbudowanie generatora na pedały przy użyciu prostych narzędzi i przy wykorzystaniu podstawowych umiejętności. Nie ma potrzeby cięcia ani spawania metalu - rower pozostaje taki, jaki jest. Nie ma też potrzeby budowania ramy - korzystamy z istniejącej. Musieliśmy jedynie dodać napęd cierny, czyli mały wałek przymocowany do wału prądnicy i dociskany do koła zamachowego.

Image: Napęd cierny - mały wałek przymocowany do wału prądnicy i dociskany do koła zamachowego.

Dzięki naszemu podejściu powstał bardzo kompaktowy generator. Ma on niewiele ponad 1 m długości. Naszym zdaniem, choć jest to kwestia gustu, nasz generator rowerowy jest wysoce estetyczny. Rower kupiliśmy od osoby z sąsiedniej wsi, u której stał w salonie jako ozdoba.

Wadą naszej konstrukcji jest niższa sprawność napędu ciernego w porównaniu do napędu uzyskiwanego za pomocą przekładni lub paska. Jednak wyższa sprawność koła zamachowego rekompensuje ten fakt. Połączenie koła zamachowego z przekładnią zębatą lub pasową dałoby lepsze wyniki, jednak takie rozwiązanie jest trudniejsze do zbudowania. Kolejną wadą jest to, że nasze urządzenie nie ma zmiennych przełożeń, ale więcej na ten temat później.

Maksymalna produkcja mocy

Moc wyjściowa (W) prądnicy rowerowej odpowiada napięciu (V) pomnożonemu przez natężenie prądu (A). Podczas krótkiego i intensywnego treningu uzyskujemy około 100 watów (12 V, 8-9 A) mocy. Podczas umiarkowanego wysiłku, który możemy kontynuować przez dłuższy czas, produkcja mocy wynosi od 45 do 75 watów. Moc wyjściowa zależy nie tylko od roweru, ale także od osoby, która go napędza. Osoby wysportowane mogą wytwarzać więcej mocy, podczas gdy kanapowcy (początkowo!) będą wytwarzać jej mniej. [*2] [*3]

Maksymalną moc wyjściową zmierzyliśmy zaraz za prądnicą. Aby uzyskać taką wartość, trzeba włożyć w pedałowanie dużo siły. Po pierwsze, żaden generator nie jest w 100% wydajny. Nasz generator osiąga swoją maksymalną sprawność (75-78%) przy mocy wyjściowej powyżej 6 A (72 W). Sprawność maleje przy mniejszej mocy: spada do 60% przy prądzie 3 A i poniżej 45% przy prądzie 2 A. Po drugie, w układzie napędowym między pedałami a generatorem występują straty energii. Nie możemy ich zmierzyć, ale ze znalezionych danych wynika, że napęd cierny powoduje średnio 15% dodatkowych strat energii.

Aby uzyskać moc 100 W, trzeba włożyć w pedałowanie co najmniej 150 W, przy uwzględnieniu strat wydajności zarówno w generatorze, jak i w napędzie ciernym. W rowerowym układzie napędowym występują dodatkowe straty energii. W teorii przekładnie rowerowe charakteryzują się niskimi stratami energii, rzędu kilku procent. W praktyce jednak te straty energii mogą być duże. Udowodniliśmy to w sposób niezamierzony. Po dokładnym wyczyszczeniu i naoliwieniu układu napędowego roweru, produkcja energii wzrosła dwukrotnie. Popełniliśmy błąd, czyszcząc rower dopiero na samym końcu. To wymusiło dostosowanie panelu sterowania do wyższego natężenia prądu, który po czyszczeniu zaczął przez niego płynąć.

Sztuka pedałowania - wyzwania techniczne

Jako cykliści-generatorzy musicie dopasować napięcie (V) i natężenie (A) urządzenia, które zasilacie lub ładujecie. Jednak łatwiej to powiedzieć niż zrobić. Urządzenia elektryczne pracują przy różnych napięciach i mają bardzo różne zapotrzebowanie na energię. Napięcie wynika z prędkości obrotów korbą, a natężenie prądu z siły, jaką wkładamy w pedałowanie.

Image: Generator rowerowy w działaniu.

1. Dostosowanie napięcia

Generator rowerowy wytwarza prąd stały o niskim napięciu, podobnie jak system fotowoltaiczny (12/24 V). Napięcie wyjściowe zależy od prędkości, z jaką obraca się prądnica rowerowa. Prędkość pedałowania i przełożenie przekładni określają prędkość wału generatora. W naszej instrukcji szczegółowo opisano, jak ustawić prawidłowe przełożenie. W skrócie, należy zmierzyć średnicę zewnętrzną trzech części (przedniej zębatki, zębatki koła zamachowego i koła zamachowego) i na podstawie tych danych obliczyć prawidłowy rozmiar wrzeciona w odniesieniu do zamierzonego napięcia wyjściowego.

Po ustawieniu przełożenia można uzyskać niższe lub wyższe napięcie, pedałując odpowiednio wolniej lub szybciej. Umożliwia to zasilanie urządzeń różnymi napięciami. Zakładając jednak, że przy średniej prędkości pedałowania generator da napięcie 12 V, to uzyskanie napięcia 5 V wymagałoby bardzo wolnego pedałowania, a 24 V niezwykle szybkiego. Przerzutki ułatwiłyby zmianę napięcia wyjściowego, ale nasz rower ich nie posiada.

Praktycznym rozwiązaniem tego problemu może być zasilanie urządzenia bezpośrednio z generatora, jeśli potrzebuje ono mniej więcej 12 V. Koło zamachowe pomaga utrzymać względnie stałe napięcie wyjściowe. Urządzenia elektroniczne i akumulatory wymagają jednak ściśle określonego napięcia. W przeciwnym razie mogą one nie działać lub ulec uszkodzeniu. Ponadto zasilanie urządzenia bezpośrednio z generatora uniemożliwia jednoczesne zasilanie lub ładowanie kilku urządzeń o różnych napięciach.

2. Dostosowanie natężenia prądu

Urządzenia elektryczne i elektroniczne mogą mieć bardzo różne zapotrzebowanie na moc, nawet jeśli pracują przy tym samym napięciu. Niestety, znacznie trudniej jest dostosować natężenie prądu niż napięcie. To, jak mocno trzeba pedałować, zależy wyłącznie od zasilanego urządzenia. W niektórych przypadkach skutkuje to optymalnym oporem. Częściej jednak opór na pedałach jest albo zbyt mały, albo zbyt duży.

Z jednej strony, podczas ładowania smartfonu lub stosunkowo niewielkiego akumulatora kwasowo-ołowiowego, opór na pedałach jest niemal zerowy. Z drugiej strony, opór na pedałach jest zbyt duży przy zasilaniu czajnika lub lodówki. Niektóre urządzenia mają zmienne zapotrzebowanie na prąd. Na przykład drukarka pobiera od 25 do 70 watów mocy, w zależności od tego, co dokładnie robi. Zapotrzebowanie na prąd wzrasta po uruchomieniu urządzenia i pomiędzy wydrukiem kolejnych stron. Drukowanie grafik wymaga więcej mocy niż drukowanie tekstu.

3. Ładowanie akumulatorów

Pozasieciowe systemy fotowoltaiczne często służą do ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Dostępność ludzkiej energii nie zależy od pogody i pory dnia, ale warto byłoby ją zmagazynować na przyszłość w akumulatorze.

Jeśli do obliczeń czasu potrzebnego do naładowania akumulatora weżniemy wartość 100 W, to możemy dojść do zbyt optymistycznych konkluzji. Na przykład, skoro do naładowania akumulatora potrzeba 100 Wh, można to zrobić w ciągu godziny. Prawda? Nieprawda. Nawet gdybyś był w stanie utrzymać produkcję mocy na poziomie 100 W przez godzinę, to akumulator ograniczy ilość energii, z jaką można go ładować. Nie wystarczy intensywniejszy trening, żeby przyśpieszyć ładowanie.

Akumulatory kwasowo-ołowiowe ładują się w zakresie od 10 do 25% swojej maksymalnej pojemności. My we wszystkich testowanych akumulatorach uzyskaliśmy 10%. W przypadku dużych akumulatorów nie stanowi to takiego problemu. Naładowanie jednego kwasowo-ołowiowego akumulatora samochodowego (około 60-80 Ah) wymaga wytworzenia 85-115 W z generatora, czyli trzeba mocno napracować się nogami. Pełne ładowanie (prądem 12 V do 13 V) trwa pięć godzin, nie licząc strat związanych z ładowaniem i rozładowywaniem.

Jednak w przypadku mniejszych akumulatorów kwasowo-ołowiowych niskie zapotrzebowanie na moc jest problematyczne. Opór na pedałach jest niewielki lub żaden (nie ma mowy o prawdziwym treningu), sprawność procesu jest bardzo niska (generator ma duże straty energii), a pomimo to ładowanie zajmuje tyle samo czasu, co ładowanie znacznie większego akumulatora. Na przykład ładowanie akumulatora 12 V o pojemności 14 Ah (podobnego do tego zasilającego stronę internetową, którą właśnie czytacie) wymaga zaledwie 1,4 A. To nie jest duży wysiłek (20 W).

Ten sam problem występuje w przypadku urządzeń ładowanych za pośrednictwem USB. Najczęściej wymienianym zastosowaniem generatora na pedały ma być ładowanie smartfonu. To jednak wymaga bardzo niewielkiej mocy (5-10 W) w porównaniu z tym, co może wytworzyć rower. (Niektóre nowsze modele umożliwiają szybsze ładowanie). Może Ci się wydawać, że ładowanie baterii telefonu o pojemności 10 Wh zajmie tylko 6 minut przy maksymalnej mocy 100 W, ale trwa to tak samo długo, jak w przypadku podłączenia go do gniazdka elektrycznego. Do naładowania smartfonu wystarczyłaby znacznie mniejsza ręczna ładowarka, ale wtedy mamy zajęte ręce.

Tablica rozdzielcza - kolejne wyzwania?

Aby rozwiązać wszystkie problemy ze zmiennymi parametrami prądu, zbudowaliśmy panel sterowania rozdzielający energię generatora na obwody o różnym napięciu do obsługi różnych urządzeń. Obwody te można wykorzystywać pojedynczo lub łącząc je, co pozwala na precyzyjną regulację oporu na pedałach w celu uzyskania optymalnego treningu. Można także bezpośrednio sterować niektórymi urządzeniami, zmniejszając ich zapotrzebowanie na moc.

Image: Panel sterowania.

Image: Panel sterowania widziany z boku.

1. Dostosowanie napięcia - przetwornica buck i boost

Żeby dostosować napięcie do różnych urządzeń, nie ma trzeba zmieniać kadencji pedałowania. Zamiast tego można użyć przetwornic buck-boost, czyli modułów elektronicznych przekształcających zmienne napięcie wejściowe w stałe napięcie wyjściowe.

Przetwornice buck mają wyższe napięcie wejściowe niż wyjściowe (obniżają napięcie), natomiast przetwornice boost mają wyższe napięcie wyjściowe niż wejściowe (podwyższają napięcie). Napięcie wyjściowe reguluje się, obracając małą śrubkę na module. Więcej informacji o przetwornicach buck-boost znajdziecie w instrukcji.

2. Dostosowanie mocy prądu - obwody przełączane i ściemniacze

Używając tylko jednej przetwornicy buck-boost można zbudować jeden obwód elektryczny. Gdy podpinamy urządzenie potrzebujące innego napięcia, wystarczy obrócić małą śrubkę, aby wyregulować napięcie. Jednak lepiej jest zbudować wiele obwodów przełączalnych o różnych napięciach. Dzięki temu można nie tylko łatwo przełączać się między różnymi typami urządzeń bez użycia śrubokręta, ale także regulować opór na pedałach, uruchamiając kilka obwodów jednocześnie.

Panel sterowania zawiera:

dwa obwody do zasilania lub ładowania urządzeń USB (5V)
trzy obwody do zasilania urządzeń o napięciu 12 V
jeden obwód do ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych (14,4V)
jeden obwód do zasilania urządzeń sieciowych (220 V w UE)
jeden obwód nieregulowany, w którym napięcie wyjściowe jest zgodne z napięciem wejściowym.

Image: Front panelu sterowania.

Image: Tył panelu sterowania.

Jeśli zapotrzebowanie na moc jest niewystarczające, można - włączając więcej obwodów - zwiększyć opór na pedałach. Podniesie to również sprawność generatora. Aby rozwiązać problem niskiego zapotrzebowania akumulatorów na moc, można pozostawić obwody 5 V i 14,4 V zawsze otwarte. Wprowadza to podstawowe obciążenie wynoszące około 20 W (dwa do pięciu urządzeń USB i akumulator kwasowo-ołowiowy 14 Ah). Jeśli chcemy potrenować ciężej, to należy zwiększyć obciążenie, otwierając inne obwody i zasilając większą liczbę urządzeń. Takie podejście nie skraca czasu potrzebnego do naładowania akumulatorów. Sprawia jednak, że wysiłek staje się bardziej opłacalny.

Innym podejściem będzie budowa tablicy rozdzielczej, która ma wyłącznie obwody USB 5 V. W tym przypadku panel sterowania jest wykorzystywany w ten sam sposób z niewielkimi zmianami. Przy maksymalnym poborze mocy 10 W (5 V/ 2 A) do jednego wyjścia USB można podłączyć kilka urządzeń. Nasza deska rozdzielcza ma dwa obwody 5 V - jeden służy głównie do zasilania lampki, ale można do niego dodać rozdzielacz USB i zyskać kolejne 10 W dla innych urządzeń.

Możesz dodać sześć wyjść zasilania USB przez podłączenie złącza USB do trzech wyjść 12 V, pamiętając, aby dołożyć trzy żeńskie złącza 12 V. Dzięki temu całkowite zapotrzebowanie na moc wyniesie 80 W, czyli wystarczająco, by ładować jednocześnie od 10 do 15 smartfonów. W dzisiejszych czasach nie brakuje urządzeń ładowanych za pośrednictwem USB: telefonów, tabletów, ebooków, powerbanków, lampek rowerowych, aparatów fotograficznych, słuchawek bezprzewodowych, ładowarek baterii AA itd.

Ściemniacz

Jeśli zapotrzebowanie na moc jest zbyt duże, można wyłączyć jeden lub więcej obwodów. W przypadku niektórych mocniejszych urządzeń 12-woltowych deska rozdzielcza umożliwia także, bezpośrednio za pomocą zmiennego opornika lub potencjometru (popularnie nazywanego ściemniaczem), obniżenie natężenia prądu, a tym samym oporu na pedałach.

Kiedy “ściemnisz” urządzenia takie jak czajnik elektryczny lub lodówka Peltiera, będą one działały tak samo dobrze, tylko że wolniej. Bez potencjometru tylko atleci daliby radę je zasilać (100-120 W). Możesz również dodać ściemniacz do obwodu 14,4 V, jeśli planujesz ładować duże akumulatory kwasowo-ołowiowe. Ściemnianie nie działa jednak w przypadku wszystkich urządzeń. Laptop wyłączy się jeśli nie otrzyma odpowiedniej mocy.

Przełączając i łącząc różne obwody oraz dostosowując natężenie prądu w obwodzie 12 V, można regulować opór na pedałach tak precyzyjnie jak na trenażerze, tym samym optymalizując trening oraz produkcję energii.

Jak wykorzystać generator - testy

Generator rowerowy najlepiej nadaje się do bezpośredniego zasilania urządzeń elektrycznych, bez uprzedniego magazynowania energii w akumulatorze. Pozwala to uniknąć strat przy ładowaniu i rozładowywaniu (do 30% w akumulatorach kwasowo-ołowiowych) oraz zmniejsza złożoność i koszty budowy ludzkiej elektrowni. W tym celu wyposażyliśmy deskę rozdzielczą w kilka obwodów 12 V i jeden obwód 220 V.

Image: Niektóre z urządzeń, które przetestowaliśmy: kompresor, oświetlenie, lodówka Peltiera, drukarka igłowa, czajnik elektryczny, lutownica.

Urządzenia, które zasilamy bezpośrednio napięciem 12 V to: eksperymentalna lodówka Peltiera, czajnik elektryczny, laptopy - zasilane przez zasilacz 12 V, bez baterii lub z baterią naładowaną w 100%, lampy, lutownica, wiertarka i szlifierka. Na rynku dostępnych jest wiele innych urządzeń zasilanych napięciem 12 V, przeznaczonych głównie dla kierowców samochodów ciężarowych i osobowych, żeglarzy, użytkowników przyczep kempingowych (oraz drobnych majsterkowiczów, którzy wyposażają swoje mieszkania, jakby to były żaglówki).

Oto lista wszystkich urządzeń, które do tej pory zasilaliśmy lub ładowaliśmy:

Wszystkie typy urządzeń USB (5V)
Akumulatory kwasowo-ołowiowe różnych rozmiarów (14,4 V)
Lodówka Peltiera (12 V)
Czajnik elektryczny (12 V)
Lutownica (12 V)
Przewodowa wiertarka elektryczna (12 V)
Szlifierka przewodowa (12 V)
Kompresor (12V)
Kolejka (12V)
Maszyna do szycia (220V)
Drukarka igłowa (220V)
Wzmacniacz stereofoniczny + odtwarzacz CD (220V)
Laptopy (12V, 220V)
Oświetlenie (5V, 12V, 220V)
Wiatraki (5V, 12V, 220V)

Oświetlenie wygodniej jest zasilać z akumulatorów, ponieważ pozwala to na korzystanie ze światła bez konieczności jednoczesnego pedałowania. Niemniej jednak, chociaż może Was to zaskoczyć, na rowerze da się czytać książkę, jednocześnie zasilając światła. Zima jest szczególnie dobrą porą na taką praktykę. Nie wymaga to dużego wysiłku, jest zdrowsze niż siedzenie w miejscu, no i rozgrzewa. Innymi urządzeniami dobrze nadającymi do zasilania przez ludzki “napęd bezpośredni” są elektronarzędzia oraz urządzenia grzewcze i chłodzące. ### 1. Elektronarzędzia przewodowe

Praktycznie wszystkie popularne elektronarzędzia o napięciu 12 V są zasilane z baterii litowo-jonowych, które można ładować za pomocą energii ludzkiej. Jest to niemniej jednak czasochłonne, nie daje zbyt wiele możliwości treningu i powoduje znaczne straty energii. Dlatego dobrym rozwiązaniem jest przerobienie tych urządzeń na elektronarzędzia przewodowe. W ten sposób użytkownik wytwarza energię tylko wtedy, gdy jest ona potrzebna, i to przy znacznie wyższej wydajności. Ponadto narzędzie przewodowe jest zawsze gotowe do pracy - nie trzeba czekać na naładowanie baterii.

Przeróbka narzędzia bateryjnego na przewodowe jest dość prosta. Po wyjęciu baterii należy znaleźć styki dodatni i ujemny, a następnie przylutować do nich dwa przewody. Trzeba pamiętać, że decyzja, który z nich jest dodatni, a który ujemny, jest jednorazowa. W przypadku wiertarki było to bardzo łatwe do rozgryzienia. W przypadku szlifierki oscylacyjnej poprosiliśmy o pomoc, ponieważ okablowanie było bardziej skomplikowane. Elektronarzędzia 12-woltowe bez baterii lub z martwymi akumulatorami można tanio kupić na rynku wtórnym.

Przewodowa wiertarka elektryczna jest chyba najbardziej uniwersalnym elektronarzędziem na świecie. Trochę wyobraźni i będzie służyć za trzepaczkę (do ubijania jajek), szczotkę (do usuwania farby lub czyszczenia przedmiotów), tarczę szlifierską (do ostrzenia noży) czy tarczę polerską (do nadawania połysku chromowi lub innym metalom i materiałom). Precyzyjne narzędzia do wyrobu biżuterii lub modelowania również dobrze współpracują z bezpośrednim napędem z pedałów. Jesteśmy we wczesnej fazie testowania możliwości przerabiania i używania narzędzi zasilanych prądem 12 V.

Narzędzia zasilane rękami kontra zasilane nogami

Urządzenia elektryczne zasilane siłą ludzkich mięśni są mniej sprawne energetycznie w porównaniu z ręcznymi narzędziami mechanicznymi. Zasilanie elektryczne prowadzi do dodatkowych strat energii w generatorze, przetwornicy buck, przewodach i układzie napędowym. Jednak straty te są z nawiązką rekompensowane przez bardziej energooszczędne wykorzystanie ludzkiego zasilania. Nasze nogi są około cztery razy silniejsze niż ręce.

Urządzenia elektryczne są za to bardziej ergonomiczne, ponieważ oszczędzają nasze stawy i mięśnie rąk. Ręczne przykręcanie dziesiątek śrubek może i jest bardziej zrównoważone niż wkręcanie ich wkrętarką elektryczną, jednakże łatwo przeciążyć nadgarstki. Generator rowerowy pozwala więc na szybszą i bardziej ergonomiczną pracę, bez konieczności korzystania z zewnętrznego źródła energii.

Pomimo pewnej przewagi elektronarzędzi, mechaniczne narzędzia ręczne mają swoje zalety: są ciche i łatwiejsze do przenoszenia, a ich produkcja zużywa mniej materiałów i energii. Istnieją także narzędzia mechaniczne zasilane nogami, umożliwiające ergonomiczną pracę i zrównoważoną produkcję energii. Jednak nie lada wyzwaniem jest skonstruowanie kompaktowego roweru stacjonarnego, który mógłby zasilać wiele różnych narzędzi. Zaprojektowaliśmy nasz generator rowerowy tak, aby był jak najbardziej kompaktowy i wielofunkcyjny.

Elektronarzędzia mają często duże zapotrzebowanie na moc, ale to nie powinno Was zrazić. Szlifierka potrzebuje co najwyżej 30 W, ale nasza wiertarka może wymagać prądu o natężeniu do 20 A - to za dużo dla prądnicy rowerowej i panelu sterowania (12 V × 20 A = 240 W). Jednak rzadko będzie potrzeba wygenerowania tak dużej mocy, chyba że będziesz wiercił w twardych materiałach.

Zapotrzebowanie na moc elektronarzędzi rośnie ze wzrostem momentu obrotowego, więc użytkownik czuje, że wiertło przebiło się przez materiał lub że śruba została zamocowana lub poluzowana. Narzędziem można posługiwać się równie precyzyjnie za pomocą stóp, jak i rąk.

2. Czajnik elektryczny

Grzanie i chłodzenie za pomocą prądu elektrycznego zużywa wiele energii. Bardziej zrównoważone są alternatywne rozwiązania, takie jak bezpośrednie wykorzystanie ciepła słonecznego. Niemniej jednak można włączyć ogrzewanie i chłodzenie do codziennych ćwiczeń na generatorze i dzięki temu zoptymalizować produkcję ciepła i chłodu.

Stosujemy to podejście do grzania wody w czajniku elektrycznym i chłodzenia w eksperymentalnej lodówce Peltiera. Oba urządzenia są bardzo dobrze zaizolowane termiczne. Dzięki temu zamiana ludzkiej energii w ciepło lub zimno staje się kolejną (bardzo tanią i skuteczną) formą magazynowania energii, bez konieczności godzenia się na problematyczne przechowywanie energii w bateriach.

Zasilane z sieci czajniki elektryczne są często bardzo wydajne i są w stanie zagotować wodę w ciągu kilku minut lub nawet sekund. Zagotowanie wody przy użyciu prądnicy rowerowej zajmie znacznie więcej czasu, ale jest wykonalne. Kupiliśmy komercyjny czajnik elektryczny 12 V z izolowanym próżniowo litrowym zbiornikiem. Zagotowanie wody na jedną filiżankę herbaty zajęło podczas testu nieco ponad godzinę, przy średniej mocy 60 W.

W czajniku elektrycznym nie tylko zagotujemy wodę na herbatę, ale również podgrzejemy wodę do termofora. Trzeba zagrzać większą ilość wody, ale za to do niższej temperatury (około 60ºC). W czasie testu podgrzanie jednego litra wody do małego termoforu zajęło 1 godzinę i 30 minut, przy średniej mocy 60 W.

Po takim wysiłku ostatnią rzeczą, jaką człowiek potrzebuje, jest termofor. Rozsądniej zużyć naszą energię do zasilenia grzejnika o mocy kilkuset watów i podnieść temperaturę powietrza w małym pomieszczeniu. Zaizolowany próżniowo czajnik można jednak włożyć do kuchenki bezogniowej i użyć go wiele godzin później, gdy skończycie aktywność i będziecie potrzebowali ciepła.

3. Lodówka Peltiera

Lodówki zasilane napięciem 12 V są drogie. Badania i testy nad generatorami termoelektrycznymi (TEG) doprowadziły do powstania lodówki Peltiera. Lodówka Peltiera to w zasadzie dobrze zaizolowana kuchenka bezogniowa wyposażona w moduł TEG. Moduł podłączony do zasilania nagrzewa się z jednej strony i wyziębia z drugiej, chłodząc wnętrze chłodziarki. Chłodzenie za pomocą TEG nie jest szczególnie wydajne, jest za to ciche, nie wymaga gazów chłodzących i jest najprostszym sposobem na samodzielne zbudowanie lodówki.

Lodówka TEG to jeszcze prototyp, wymagający dalszych testów i ulepszeń. Zasilanie jednej chłodziarki TEG pełną mocą wymaga ok. 60 watów (12 V × 5 A), mierzonych tuż za generatorem. To oznacza intensywny trening. Ściemniacz pozwala precyzyjnie zmniejszyć opór na pedałach, ale okazało się, że jeden moduł TEG to za mało na nasze rozmiary przestrzeni chłodzącej. Podczas cięższego treningu (60-100 watów) będziemy dołączać drugi moduł zasilania.

Urządzenia sieciowe 220 V

Nasza tablica rozdzielcza posiada również obwód 220 V. Dzięki temu jest ona kompatybilna z urządzeniami zasilanymi z sieci energetycznej (110 V w USA, 240 V w Wielkiej Brytanii). Obwód 220 V wymaga przetwornicy. Przetwornica jest zbyt duża, aby zmieścić ją w desce rozdzielczej, więc umieściliśmy ją w skrzynce na zbudowanym z przodu roweru bagażniku.

Gniazdko 220 V nie jest niezbędne. Wiele urządzeń zasilanych napięciem 220 V ma alternatywne gniazda 12 V (lub 24 V), które są bardziej energooszczędne w przypadku zdecentralizowanej produkcji energii. Niemniej jednak, włączyliśmy obwód 220 V do zasilania urządzeń, które nie zostały (jeszcze) zastąpione lub przerobione na źródła niskiego napięcia: drukarki igłowej, maszyny do szycia, wieży stereo i routera.

Obsługa drukarki igłowej i maszyny do szycia jest trudna ze względu na ich szybko zmieniające się zapotrzebowanie na energię. Trzeba na przykład pedałować bardzo szybko (około 20 V), aby zapewnić odpowiednią bezwładność koła zamachowego w celu uniknięcia spadku napięcia poniżej 12 V podczas momentów szczytowego poboru mocy. Problem może rozwiązać zastosowanie superkondensatora - spróbujemy tego w nadchodzących miesiącach. Znacznie bardziej energooszczędne byłyby napędzane stopami mechaniczna maszyna do szycia i drukarka, ale zajmowałyby znacznie więcej miejsca.

Alternatywne konfiguracje - generator rowerowy ze stołem roboczym

Nasz panel sterowania został skonstruowany do zasilania szerokiej gamy urządzeń, ale Wy możecie przyjąć inne podejście i uzyskać podobną funkcjonalność. Na przykład, jeśli chcecie ładować tylko akumulatory, wystarczy jeden obwód 14,4 V. Możecie użyć przetwornic buck i boost, aby uzyskać dowolne napięcie, na przykład zbudować obwód 3 V, 6 V, 9 V lub 24 V.

Jeśli jednak chcecie przede wszystkim zasilać urządzenia 24 V, to lepiej będzie dostosować przełożenie generatora. To samo dotyczy ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych 14,4 V w systemie 12 V: dostosujcie przełożenie tak, aby generować napięcie 16-17 V (aby skompensować straty energii w przetwornicy buck).

Image: Wyjście 220 V.

Image: Bagażnik, a na nim wyjścia zasilania (zmienne, 3x12V, 14.4V, 5V USB).

Image: W środku obudowy: falownik, kontroler ładowania wiatrowego, akumulator

Nasza sporej wielkości deska rozdzielcza umieszczona na kierownicy ma swoje wady i zalety. Umieszczenie panelu sterowania na samym rowerze ułatwia odczyt i obsługę, a także przenoszenie roweru. Jeśli sąsiad potrzebuje awaryjnego zasilania, bierzecie rower i w ciągu minuty jesteście na miejscu. Z drugiej strony, umieszczenie tablicy rozdzielczej na rowerze generuje wibracje, zwiększające hałas i straty energii. Konieczne jest również okresowe regulowania napięcia wyjściowego z przetwornic buck i boost.

Największą wadą panelu sterowania na kierownicy jest brak możliwości zamontowania w tym miejscu dużego pulpitu. Przydałby się do obsługi elektronarzędzi lub laptopa, a jednocześnie zapewniałby zasilanie. Nasza obecna konfiguracja nie jest idealna do korzystania z elektronarzędzi. Wymaga dwóch osób - jednej do obsługi roweru i drugiej do obsługi elektronarzędzia. Z laptopem jest podobnie - możecie zasilać czyjś komputer, ale nie możecie jednocześnie zasilać swojego i na nim pracować.

Planujemy zbudować generator rowerowy z mniejszą tablicą rozdzielczą, obejmującą jeden obwód 12 V i dwa porty USB , oraz z dużą przestrzenią roboczą na kierownicy. Taki generator rowerowy nawiązuje do podobnych (mechanicznych maszyn rowerowych z początku XX wieku). Inną opcją jest przykręcenie panelu sterowania do ściany lub postawienie go na półce i umieszczenie obok niego prądnicy rowerowej. Inwerter, akumulator kwasowo-ołowiowy i regulator ładowania wiatrowego, które teraz są zamontowane na rowerze, będzie można z niego zdjąć.

Hybrydowy system zasilania energią solarną/ludzką

Niektórzy z Was mogą uważać, że nasz generator rowerowy to raczej gadżet niż praktyczne źródło energii dla gospodarstwa domowego. Po części jest to prawda. Nasza ludzka elektrownia jest idealną maszyną do ćwiczeń - wytwarzanie energii jest motywujące. Jest praktyczna w sytuacjach awaryjnych, zwłaszcza gdy dostępna jest wystarczająca ilość energii generowanej przez ludzi - może wytworzyć do 2,4 kWh dziennie. Nie zapewni jednak wystarczającej ilości energii na dobę, nawet dla mało zaawansowanego technologicznie gospodarstwa domowego. Brakuje wystarczającej liczby osób chętnych do jazdy na rowerze.

Niemniej jednak generator rowerowy jest doskonałym uzupełnieniem systemu fotowoltaicznego, przynajmniej w gospodarstwach domowych o niskim zużyciu energii. Moc generatora rowerowego nie zależy od pogody, pory roku ani pory dnia. Siła ludzka może zapewnić dodatkową energię podczas złej pogody, co zmniejsza zapotrzebowanie na drogie i nietrwałe akumulatory. Będzie to szczególnie przydatne w zimie, kiedy system fotowoltaiczny wytwarza znacznie mniej energii, a wysiłek potrzebny do obsługi roweru dodatkowo ogrzewa użytkownika. W lecie nie brakuje energii słonecznej, a poza tym nieraz jest zbyt gorąco na trening na rowerze.

Image: Generator rowerowy stoi obok systemu fotowoltaicznego. Naszym celem jest zintegrowanie obu systemów zasilania.

Generator rowerowy o mocy 50-100 W jest bardziej wydajny niż stojące na balkonie obok niego dwa panele słoneczne: panel 50 W zasilający oświetlenie w salonie, oraz panel 30 W zasilający stronę internetową. Rzadko, jeśli w ogóle, panele osiągają maksimum swojej mocy, a podczas złej pogody produkują znacznie mniej energii niż generator rowerowy. Przy dużym zachmurzeniu produkcja energii spada niemal do zera, a jeśli taka sytuacja trwa przez dwa dni, przestają działać oświetlenie i strona internetowa. Jedna lub dwie godziny dziennie na rowerze z generatorem mogłyby temu zapobiec. Alternatywą jest zasilanie elektronarzędzi lub innych urządzeń rowerem, bez obciążania akumulatorów z systemu fotowoltaicznego.

Zamiast generatora rowerowego można także używać tablicy rozdzielczej z panelem solarnym. Wystarczy zastąpić regulator ładowania wiatrowego regulatorem ładowania słonecznego. Dzięki temu wykorzystamy energię słoneczną do bezpośredniego zasilania urządzeń - bez konieczności stosowania solarnego regulatora ładowania i akumulatora. Zastąpcie regulator ładowania wiatrowego hybrydowym regulatorem ładowania słoneczno-wiatrowego, a będziecie mogli ładować akumulatory i bezpośrednio zasilać urządzenia z obu źródeł. Można również połączyć energię słoneczną i ludzką, zwiększając w ten sposób moc wyjściową.

Połączenie energii ludzkiej i słonecznej powinno umożliwić podjęcie dalszych kroków w kierunku stworzenia funkcjonującego poza siecią miejskiego gospodarstwa domowego. W planach jest dodanie kolejnego panelu słonecznego o mocy 50 W, wyłączenie z sieci kolejnych urządzeń (przede wszystkim lodówki) i utrzymanie akumulatorów na dotychczasowym poziomie.

Instrukcja obsługi: generator rowerowy

Image: Napęd cierny.

Jakiego typu prądnica jest potrzebna?

Do przekształcenia energii mechanicznej koła zamachowego w energię elektryczną potrzebny jest generator prądu stałego z magnesem trwałym o napięciu 12/24 V i maksymalnej mocy około 150-250 W. Nie każdy generator nadaje się do tego. Potrzebny jest taki, który pozwala uzyskać napięcie 12 lub 24 V przy stosunkowo niskiej prędkością obrotowej (<5000 obr./min bez obciążenia) przy wygodnym przełożeniu (patrz dalej). Wiele generatorów do wygenerowania 12 V lub 24 V wymaga wyższej prędkości, a przy średnim tempie pedałowania nie będziecie w stanie wygenerować na nich więcej niż kilku woltów.

Pamiętajcie, aby kupić silnik szczotkowy prądu stałego. Bezszczotkowe silniki DC nie zadziałają, ponieważ wymagają bardzo dużej prędkości obrotowej. Należy pamiętać, że prądnica to silnik pracujący w odwrotnym kierunku. Szukajcie w Internecie hasła “silnik prądu stałego” zamiast “prądnica prądu stałego” - otrzymacie więcej wyników. Alternatory samochodowe również się sprawdzają. Często stosuje się je w małych elektrowniach wodnych, ponieważ są tanie i łatwe do zdobycia. Są one jednak wyjątkowo nisko sprawne i wymagają akumulatora 9 V do rozruchu.

Generatory prądu stałego można pozyskać ze zezłomowanych skuterów elektrycznych lub rowerów, ale my kupiliśmy nowy: Ampflow Pancake Motor P40-250. Jego prędkość obrotowa bez obciążenia wynosi 1700 obr./min przy napięciu 12 V, a maksymalna moc wyjściowa to 250 W. Można go bezpiecznie przykręcić do metalowej lub drewnianej powierzchni, co oszczędza wielu kłopotów.

Jak obliczyć przełożenie przekładni i rozmiar wrzeciona?

Napięcie wytwarzane przez generator jest wprost proporcjonalne do prędkości obrotowej generatora (RPM lub “obrotów na minutę”). Prędkość obrotowa prądnicy zależy od szybkości pedałowania (liczby obrotów na minutę, inaczej kadencji). Zależy ona także od przełożenia między pedałami a prądnicą. Średnia prędkość obrotowa pedałów w rowerze stacjonarnym - komfortowe tempo pedałowania, które można utrzymać przez dłuższy czas - to około 60 obr./min. Można ją dokładnie zmierzyć za pomocą licznika rowerowego z czujnikiem kadencji lub policzyć “w głowie”. ¹

Nasz generator rowerowy wykorzystuje napęd cierny. Składa się on z małego kółka (wrzeciona) przymocowanego do wału prądnicy, które obraca się w kontakcie z kołem zamachowym. Obliczenie przełożenia wymaga zmierzenia zewnętrznej średnicy czterech elementów: tarczy mechanizmu korbowego, tarczy koła zamachowego, koła zamachowego i wrzeciona. Pierwsze trzy elementy są znane, natomiast ostatni musimy ustalić sami. Rozmiar wrzeciona, jakiego potrzebujemy, zależy od specyfikacji generatora i dokładnego napięcia, jakie ma być wytwarzane. Obliczenie tego może być trudne, chyba że ktoś zna odpowiedni wzór (dziękuję, Gabrielu Verdeilu!).

Po pierwsze, należy znaleźć “obroty bez obciążenia” generatora. Informacja ta powinna być podana przez producenta. Nasz generator ma prędkość obrotową bez obciążenia 3400 obr./min przy napięciu 24 V. Współczynnik ten jest proporcjonalny - możecie obliczyć wymaganą liczbę obrotów bez obciążenia dla dowolnego napięcia. Na przykład przy napięciu 12 V jest to 1700 obr./min (3400 / 24 × 12), a przy napięciu 16 V - 2267 obr./min (3400/24×16). Następnie zmierzcie średnicę tarczy mechanizmu korbowego, tarczy koła zamachowego i samego koła zamachowego. Nie ma znaczenia, czy użyjecie milimetrów, centymetrów, czy innej jednostki, ale pamiętajcie, aby korzystać z jednej. Teraz macie już wszystkie dane potrzebne do obliczenia rozmiaru wrzeciona. Poniżej znajduje się wzór, a pod nim obliczenia w odniesieniu do naszego konkretnego przypadku (przy założeniu kadencji równej 60 obr./min):

Średnica wrzeciona = (PS × W × RPM pedałów)/(WS × RPM generatora)

PS = PS = średnica tarczy mechanizmu korbowego
W = średnica koła zamachowego
RPM pedałów = prędkość pedałowania/kadencja
WS = średnica zębatki koła zamachowego
RPM generatora = liczba obrotów na minutę bez obciążenia generatora

Średnica wrzeciona w przypadku naszej konfiguracji (w mm) do wytwarzania różnych napięć:

12 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 1700) = 58,68 mm średnicy wrzeciona
13 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 1842) = 54,15 mm średnicy wrzeciona
14 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 1983) = 50,30 mm średnicy wrzeciona
15 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 2125) = 46,94 mm średnicy wrzeciona
16 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 2267) = 44,00 mm średnicy wrzeciona
17 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 2408) = 41,42 mm średnicy wrzeciona
24 V = (190 × 525 × 60) / (60 × 3400) = 29,34 mm średnicy wrzeciona

To jakiego dokładnie napięcia potrzebujecie, a tym samym dokładny rozmiar wrzeciona, zależy od tego, do czego tak naprawdę chcecie używać roweru. Szczegółowe umówienie tego tematu znajduje się w instrukcji obsługi panelu sterowania. Wyobraźcie sobie, że chcecie ładować akumulatory kwasowo-ołowiowe, które wymagają napięcia 14,4 V. Używacie przetwornicy buck (obniżającej napięcie wejściowe), więc, aby nadrobić straty w procesie konwersji napięcia, będziecie musieli wytworzyć napięcie bliskie 17 V. W takim razie wymagana średnica wrzeciona wyniesie 41,42 mm. Taka konfiguracja jest pokazana na poniższej ilustracji.

Powyższy wzór możecie przekształcać, aby obliczać różne parametry. Można go użyć do obliczenia minimalnych obrotów na pedałach dla danego wrzeciona; do obliczenia obrotów generatora na podstawie danej kadencji i rozmiaru wrzeciona; oraz do obliczenia napięcia, które będzie wytwarzane w danej konfiguracji. Poniżej podano wzory, a następnie przykład oparty na konfiguracji przedstawionej powyżej.

Obliczanie minimalnej kadencji dla danego rozmiaru wrzeciona (S):

RPM generatora / [(PS × W)/(FS × S)] * 2260 / [(190 × 525) / (60 × 41)] = 55,81 obr./min na pedałach.

Oblicz obr./min generatora dla danego rozmiaru wrzeciona i liczby obr./min na pedałach:

(PS / FS) × (W / S) × RPM na pedałach * (190 / 60) × (525 / 41) × 55 = 40,61 (przełożenie) × 56 = 2274 obr./min

Oblicz napięcie dla danych obr./min w generatorze:

Prędkość obrotowa generatora × stosunek prędkości obrotowej bez obciążenia * 2274 × (3400 / 24) = 16,1V

Jakiego typu wrzeciona są potrzebne i gdzie je znaleźć?

Dobranie rozmiaru wrzeciona to dopiero połowa pracy. Znalezienie wrzeciona o odpowiedniej średnicy, wykonanego z właściwych materiałów i pasującego do wału generatora może być nie lada wyzwaniem. Żeby znaleźć właściwe, wypróbowaliśmy kilkanaście różnych wrzecion. Koło zamachowe ma twardą powierzchnię i wymaga miękkiego wrzeciona, wykonanego z gumy lub poliuretanu. Uznaliśmy, że solidny odbojnik do drzwi, wykonany z metalu i gumy, zapewnia optymalne tarcie z naszym kołem zamachowym. Zanieśliśmy go do warsztatu, gdzie wywiercono w nim otwór o średnicy 10 mm.

Image: Kilka wrzecion, które testowaliśmy.

Zamiast gumowego odboju można użyć pełnych kółek poliuretanowych lub gumowych podkładów amortyzujących. Kółka do łyżworolek nie będą dobrze pasować do wałka o średnicy 8-10 mm, ponieważ mają większą średnicę otworu. Pamiętajcie, że materiał musi dobrze znosić tarcie - niektóre tworzywa sztuczne mają tendencję do nagrzewania się i topienia. Dobór wrzeciona wymaga prób i błędów, będziecie prawdopodobnie musieli wypróbować kilka, aby znaleźć odpowiednie. Innym sposobem jest zaprojektowanie niestandardowego elementu i wykonanie go na tokarce - jak to zrobić, opisano w poradniku na stronie magnificientrevolution.org. Uniwersalna piasta montażowa może pomóc w zamocowaniu kół z otworami na śruby, takich jak koła do robotów.

Najprostszym rozwiązaniem wydaje się kupno generatora prądu stałego z fabrycznie zamontowanym wrzecionem. Na przykład firma Pedal Power Generator oferuje generator o mocy 360 W, z wrzecionem o średnicy 37,5 mm. Niestety wrzeciona o innej średnicy są niedostępne. Oznacza to, że nie można regulować napięcia wyjściowego, chyba że zmieni się zębatki w układzie napędowym roweru. W naszym przypadku wrzeciono o średnicy 37,5 mm wytworzyłoby napięcie 18 V, które jest zbyt wysokie.

Jak przymocować wrzeciono do prądnicy?

Generator jest wyposażony w zintegrowaną zębatkę lub koło pasowe, które trzeba zdjąć. Koło zębate lub napęd pasowy przytrzymuje nylonowa nakrętka zabezpieczająca z gwintem lewym. Odkręca się ją w prawo (nie w lewo, jak większość nakrętek). Prawdopodobnie potrzebny będzie zacisk, aby sobie z tym poradzić.

Image: Prądnica z gwintowanym wałkiem.

Image: Prądnica z wrzecionem średnicy 41 mm.

Nasz generator ma wał o średnicy 8 mm, a nasze wrzeciono pasuje na wał o średnicy 10 mm. Dlatego używamy dwuczęściowego wrzeciona ze sworzniem mocującym i kółkiem. Do zamocowania wrzeciona można wykorzystać nacięcia na wale w kształcie litery D (“wał okrągły z płaskownikiem napędowym”). Za pierwszym razem próbowaliśmy mocowania za pomocą gwintu, ale to nie zadziałało. Ponieważ gwint jest lewy, wrzeciono będzie się odkręcać podczas obracania.

Uznaliśmy, że najbardziej uniwersalnym rozwiązaniem, umożliwiającym testowanie różnych kół, jest gwintowany trzpień mocujący z wkrętami ustalającymi. Sworzeń zamocowaliśmy za pomocą wkrętów dociskowych umieszczonych na płaskiej części wału. Jest to pręt gwintowany M10. Można na nim, za pomocą kilku podkładek i nakrętki, zamocować koło. Sztywny łącznik z otworem wewnętrznym może posłużyć jako małe wrzeciono, można go również użyć do przymocowania wału generatora do innej osi z kołem. W przypadku naszej konfiguracji to rozwiązanie nie sprawdziło się, ponieważ śruby ustalające wystają ze sprzęgła i niszczą koło zamachowe.

Jak przymocować napęd cierny do roweru?

Przykręciliśmy prądnicę do drewnianej deski, a następnie docisnęliśmy ją do koła zamachowego za pomocą drewnianego wspornika. Deska jest przymocowana do roweru za pomocą mocnego zawiasu drzwiowego. Umożliwia to dostosowanie kąta, pod jakim wrzeciono styka się z kołem zamachowym. Podpórka opiera się na klinie korkowym tłumiącym drgania. Jeśli chcecie zapoznać się z innym rozwiązaniem, zobaczcie nasz pierwszy prototyp.

Image: Napęd cierny.

Instrukcja obsługi: panel sterowania

Przetwornica buck i boost, ściemniacze

Przetwornica buck i boost to moduły elektroniczne, które przetwarzają zmienne napięcie wejściowe na stałe napięcie wyjściowe. Konwertery buck mają wyższe napięcie wejściowe niż wyjściowe (obniżają napięcie), natomiast konwertery boost mają wyższe napięcie wyjściowe niż wejściowe (podwyższają napięcie).

Napięcie wyjściowe reguluje się przez obrót małej śrubki na module. Niektóre przetwornice buck i boost są wyposażone w mały ekran pokazujący napięcie wyjściowe. Jeśli go nie mają, to do regulacji napięcia wyjściowego można użyć multimetru.

Należy pamiętać, że potrzebna jest albo przetwornica buck, albo boost. NIE używaj przetwornicy buck/boost. Jest to rodzaj mikrozasilacza, na którym przy każdym włączeniu zasilania trzeba regulować napięcie wyjściowe. Jest to niepraktyczne i grozi uszkodzeniem zasilanych urządzeń. Jednofunkcyjne konwertery zapamiętują napięcie wyjściowe i nie trzeba go regulować przy każdym uruchomieniu.

NIE kupuj też regulatora napięcia. Pozwala on regulować napięcie wyjściowe, ale tylko w stosunku do napięcia wejściowego. Jeśli zmieni się napięcie wejściowe, zmieni się również napięcie wyjściowe. Potrzebna jest przetwornica buck lub boost, ponieważ napięcie wyjściowe jest stabilne, nawet kiedy zmienia się napięcie wejściowe.

Przed zakupem przetwornicy buck lub boost należy sprawdzić maksymalny prąd znamionowy. Niektóre znoszą obciążenie tylko 2 A, a to za mało dla generatora rowerowego. Potrzebny jest przynajmniej taki, który w zależności od mocy wyjściowej, może przyjąć prąd 5 A, a najlepiej taki, który przyjmie prąd 10 A lub 15 A.

Przetwornica buck czy boost?

Wybór przetwornicy buck lub boost zależy od napięcia wytwarzanego przez generator oraz od napięcia zasilanego lub ładowanego urządzenia (urządzeń). Jeśli prądnica rowerowa wytwarza napięcie 12 V, a użytkownik chce ładować urządzenia USB o napięciu 5 V, musi zmniejszyć napięcie, a więc zastosować konwerter buck. Te małe moduły ze złączem USB przekształcają zmienne napięcie wejściowe w stałe napięcie wyjściowe 5V. ²

Jeśli chcecie zasilać urządzenia o napięciu 12 V lub ładować akumulatory kwasowo-ołowiowe (14,4 V), możecie zastosować zarówno przetwornice buck, jak i boost. Jeśli zdecydujecie się na konwerter buck, to Wasz generator rowerowy musi dać nieco wyższe napięcie wyjściowe niż 12 V lub 14,4 V (odpowiednio 13-14 V i 16-17 V). Wyższe napięcie wejściowe jest niezbędne do skompensowania strat energii powstających podczas konwersji mocy. Jeśli używasz przetwornicy podwyższającej napięcie, napięcie wyjściowe generatora musi być niższe niż 12 V lub 14,4 V.

Przetwornica buck nigdy nie przekroczy wybranego napięcia wyjściowego, niezależnie od tego, ile woltów wytwarza generator. Z kolei przetwornica boost gwarantuje minimalne napięcie wyjściowe, ale nie ustala jego wartości maksymalnej. Jeśli pedałujesz zbyt szybko, napięcie wyjściowe może przekroczyć ustawioną wartość i uszkodzić zasilane czy ładowane urządzenie lub akumulator.

W naszym pierwszym prototypie deski rozdzielczej zastosowaliśmy wyłącznie przetwornicę buck. W kolejnej wersji zastosowaliśmy przetwornicę boost do ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Aby możliwe było uzyskanie napięcia wyjściowego 14,4 V za pomocą przetwornicy buck, generator musi wytwarzać napięcie 16-17 V. To dobre rozwiązanie, jeśli chcecie tylko ładować akumulatory kwasowo-ołowiowe, ponieważ możecie wtedy dostosować przełożenia tak, że uzyskacie napięcie 16-17 V przy komfortowej kadencji. Jeśli jednak zoptymalizujecie przełożenie dla niższych napięć, to chcąc włączyć do sesji treningowej ładowanie akumulatorów, będziecie musieli za każdym razem bardzo szybko pedałować.

Kontroler ładowania wiatrowego

Generator rowerowy musi dostarczać napięcie 14,4 V, aby naładować akumulatory kwasowo-ołowiowe - jest to maksymalne napięcie, jakiego potrzebują tego typu akumulatory. W zasadzie wystarczy zastosować przetwornicę buck lub boost, ale trzeba być ostrożnym: akumulator może zostać przeładowany i eksplodować.

Żeby uniknąć tego ryzyka bez stosowania wyrafinowanych urządzeń, wystarczy kontrolować amperomierz. Gdy natężenie prądu spadnie do 3% znamionowej pojemności akumulatora (w Ah), znaczy to, że akumulator jest całkowicie naładowany - należy przestać pedałować. Ponieważ to Wy jesteście źródłem zasilania, na pewno jesteście obecni i przytomni podczas ładowania. Jest to mniej ryzykowne podejście niż ładowanie akumulatora z zasilacza prądu stałego lub panelu słonecznego bez kontrolera ładowania.

Jednak dobrze jest zabezpieczyć się dodatkowo. W systemie fotowoltaicznym bezpieczeństwo zapewnia solarny regulator ładowania. Odcina on dopływ prądu za każdym razem, gdy napięcie wzrośnie powyżej 14,4 V. Jednak solarny regulator ładowania nie działa w połączeniu z generatorem rowerowym. Zamiast niego potrzebny jest regulator ładowania wiatrowego, który działa na odwrotnej zasadzie.

Zamiast zmniejszać obciążenie do zera, regulator ładowania wiatrowego nagle je zwiększa i “hamuje”. Jeśli używacie przetwornicy buck, to rzadko kontroler ładowania wiatrowego będzie aktywował przerwę, ponieważ przetwornica buck ograniczy napięcie wyjściowe do 14,4 V. Wyhamuje tylko wtedy, gdy pojawi się zagrożenie przeładowania akumulatora. Jeśli używacie przetwornicy boost, to kontroler ładowania wiatrowego będzie hamował za każdym razem, gdy przypadkowo przekroczycie napięcie wyjściowe 14,4 V.

Kontrolery ładowania wiatrowego mają trzy zielone przewody do podłączenia do źródła zasilania. Można wziąć dowolne dwa z tych trzech przewodów i podłączyć je do plusa i minusa wejścia zasilania - nie ma znaczenia, który gdzie zostanie podłączony.

Większość dostępnych na rynku kontrolerów ładowania wiatrowego ma zbyt dużą moc jak na generator prądu na pedały, więc kupcie najmniejszy jaki znajdziecie. Odesłaliśmy dwa kontrolery ładowania do producenta. Jedno urządzenie z ekranem przyszło bez instrukcji obsługi i nikt nie był w stanie odgadnąć jak działa. Drugi wypróbowany przez nas regulator był hybrydowy - wiatrowo-słoneczny. Okazał się niebezpieczny. Ogniwo fotowoltaiczne przeładowywało akumulator. Ponadto za każdym razem, gdy przekroczyliśmy próg napięcia, kontroler uruchamiał na pół godziny hamulec elektryczny, blokując w ten sposób możliwość produkcji energii przez człowieka.

Przewody, złącza, diody, bezpieczniki, przyciski włączania/wyłączania

Żeby połączyć wszystkie elementy, potrzebujecie przewodów, złączy, diod, bezpieczników i przycisków włączania/wyłączania. Możecie być zdezorientowani mnogością części, więc poniżej wyjaśniamy co będzie potrzebne.

Przewody

W panelu sterowania znajduje się około dziesięciu metrów przewodów elektrycznych. Najważniejszą kwestią nie jest długość, lecz grubość przewodu. Jeśli wybierzecie zbyt cienkie przewody, podczas intensywnego treningu deska rozdzielcza może się zapalić. Dokonanie właściwego wyboru może być trudne, ponieważ istnieje [kilka] (https://www.powerstream.com/Wire_Size.htm) standardów. Okablowanie deski rozdzielczej wykonaliśmy przewodem 20AWG 0,52 mm2 , który przyjmuje prąd o natężeniu 11 A. Lepszym rozwiązaniem byłby przewód 18AWG 0,52 mm2, który przyjmie 16A. Należy zachować ostrożność podczas zdejmowania izolacji z przewodów: zbyt głębokie cięcie może uszkodzić przewód, zmniejszając możliwy przepływ prądu.

Złącza

Przewody można łączyć na wiele różnych sposobów. My wybraliśmy szybkozłączki z dźwigniami - duże i drogie, ale praktyczne. Dzięki nim można bezpiecznie połączyć przewody bez lutowania czy dociskania śrubkami. Złączki te mają od dwóch do dziesięciu styków. Uważajcie, aby okablowanie deski rozdzielczej nie stało się plątaniną kabli. Nie przycinajcie przewodów zbyt krótko.

Bezpieczniki

Można zbudować generator i sterownik rowerowy bez bezpieczników, ale nie jest to dobry pomysł. Bezpiecznik zapobiega pożarowi i uszkodzeniu podzespołów, przerywając obwód elektryczny po przekroczeniu określonego progu natężenia prądu, Umieściliśmy bezpiecznik 12 A przy wejściu do deski rozdzielczej (nasza maksymalna moc to 8-9 A). Dodaliśmy również bezpieczniki do większości zasilanych urządzeń.

Przełączniki

Jeśli chcemy przełączać się pomiędzy obwodami, potrzebujemy przycisków włączania i wyłączania. Nasza deska rozdzielcza ma ich dziewięć. Chcieliśmy, aby przełączniki świeciły, gdy są aktywne, ponieważ dzięki temu widać, które obwody działają podczas uruchamiania generatora. Jednak obecność diod sprawia że okablowanie włączników i wyłączników jest bardziej skomplikowane.

Woleliśmy uniknąć lutowania połączeń, więc kupiliśmy przełączniki z już podłączonymi przewodami. Ostatecznie i tak musieliśmy je przylutować, ponieważ grube przewody zajmowały zbyt dużo miejsca. Przyciski włączania/wyłączania bez lampek i z dołączonymi wcześniej cieńszymi przewodami uprościłyby tę część systemu.

Image: How to wire the on-off switches.

Dioda Schottky’ego

Dioda Schottky’ego zapewnia, że prąd będzie płynąć przez kabel tylko w jednym kierunku. Jest to niezbędna część systemu, którego częścią są baterie. Bez diody bateria mogłaby zacząć zasilać generator (i obracać pedałami), a nie odwrotnie. Aby temu zapobiec, tuż za generatorem umieściliśmy wspomnianą diodę Schottky’ego. Dioda musi mieć odpowiednie natężenie prądu, tj. powyżej natężania spodziewanego przy produkcji energii. Nasza maksymalna produkcja energii wynosi 8-9 A, dioda Schottky’ego przyjmuje 10 A.

Przyrządy tablicy rozdzielczej

Panel kontrolny zawiera kilka wyświetlaczy, które pokazują napięcie i natężenie prądu w różnych obwodach elektrycznych. Najważniejszy są analogowy woltomierz i amperomierz na górze. Pokazują one produkowaną moc (V × A = W). Woltomierz informuje, jak szybko pedałujecie, a amperomierz - jak mocno.

Wybraliśmy woltomierz o zakresie do 30 V i amperomierz o zakresie do 15 A, ponieważ analogowe mierniki V&A są najbardziej precyzyjne w środku zakresu. Cyfrowy miernik V&A jest bardziej kompaktowy, ale analogowe mierniki są czytelniejsze i lepiej pokazują drobne zmiany. Powyżej miernika znajduje się obwód USB, do którego można podłączyć małą lampkę LED i obserwować wskazania przyrządów w ciemności. Pokazują one także, czy system w ogóle działa.

Image: Jak wykonać okablowanie analogowego woltomierza i amperomierza.

Poniżej miernika V&A znajdują się trzy mierniki napięcia każdej przetwornicy buck i boost. Pokazują napięcie wyjściowe każdego z obwodów. Napięcie wyjściowe powinno wynosić 12,0 V w przypadku obwodów elektrycznych 12 V i 220 V oraz 14,4 V w przypadku obwodu 14,4 V. Napięcie w dwóch pierwszych obwodach może spaść poniżej tej wartości, jeśli nie będziecie wystarczająco szybko pedałować, natomiast w ostatnim może przekroczyć tę wartość przy zbyt wysokiej kadencji - regulator ładowania wiatrowego również to pokaże. Na obwodzie 5 V także został zainstalowany miernik V&A. Pomaga to zmaksymalizować produkcję energii po podłączeniu jak największej liczby urządzeń USB (do 2 A).

Na desce rozdzielczej brakuje jeszcze dwóch przyrządów: miernika napięcia akumulatora kwasowo-ołowiowego oraz mierników temperatury czajnika elektrycznego i lodówki Peltiera. Nie są wymagane, jednak mogą być dodatkową motywacją dla “napędu”. Na trasie Wasz wysiłek przekłada się na pokonany na rowerze dystans, ale na rowerze stacjonarnym nigdzie się nie jedzie, co może śmiertelnie znudzić. Przyrządy pomagają uatrakcyjnić jazdę i wyznaczyć cele treningowe. Na przykład: przez prysznicem obniżmy temperaturę w lodówce o 2ºC.

Panel tablicy rozdzielczej i mocowanie

Panel sterowania przymocowaliśmy do kierownicy, a z przodu dodaliśmy bagażnik, który pomieści dodatkowe elementy, takie jak falownik, regulator ładowania wiatrowego i akumulator kwasowo-ołowiowy. Na górze skrzynki znajdują się wyjścia zasilania każdego obwodu oraz rozdzielacz USB. Skrzynka ma kowariantną pokrywę i otwory, przez które przechodzą przewody z deski rozdzielczej (najpierw przechodzą one przez kierownicę).

Do wykonania panelu użyliśmy wycinarki laserowej w warsztacie (MADE Barcelona). Wszystkie elementy są zamontowane w dwóch warstwach płyty MDF o grubości 4 mm lub umieszczone pomiędzy nimi. Jeśli trzeba coś zmienić lub naprawić, to łatwo można zdjąć przedni panel. Przezroczysta płyta akrylowa chroni przetwornice buck i boost. Trzeba ją zdjąć, aby wyregulować napięcie. Deskę rozdzielczą przymocowaliśmy do uchwytu rowerowego za pomocą gumowych zacisków do rur, nakrętek kołpakowych M8 i śrub.

Okablowanie?

Kompletny panel sterowania:

1: Dioda Schottky'ego. 2: Bezpiecznik. 3: Przewody. 4: Analogowy woltomierz i amperomierz. 5: Wyłączniki. 6: Złączki. 7: Lampka USB.

Obwód 5V:

8: Konwerter buck USB. 9: Woltomierz & amperomierz USB. 10: Rozdzielacz USB i przewody.

Obwód 12V

11: Konwerter buck. 12: Ściemniacz.

Obwód 14.4V

13: Konwerter boost. 14: Kontroler ładowania wiatrowego. 15: Akumulator kwasowo-ołowiowy. 16: Elektroniczny woltomierz dla akumulatora.

Obwód 220V:

17: Konwerter buck. 18: Falownik.

Instrukcja obsługi - lista komponentów

Generator rowerowy:

silnik (x1) - Ampflow P40 - 250 W, silnik szczotkowy prądu stałego typu “pancake” 24-12 V;
trzpień mocujący wał (x1) - zamiana trzpienia gwintowanego z 8 mm na M10;
koło (x1).

Tablica rozdzielcza:

dioda Schottky’ego (x1) - BOJACK Dioda Schottky’ego 10SQ045 (10A 45V);
amperomierz analogowy (x1) - amperomierz analogowy DH-670 0-5A Klasa 2.0 oraz woltomierz analogowy (x1) - woltomierz analogowy DH-670 DC 0-30V Klasa 2.0;
włącznik/wyłącznik LED (x8) - włącznik/wyłącznik kołyskowy serii KR1-5 12V 20A 3-pinowy z diodą LED;
złączki przewodów (≈16 różnych formatów);
światełko LED 5V USB - wystarczy dowolna lampka LED USB na giętkim ramieniu;
Przetwornica buck 5V (x2) - przetwornica buck MH KC24 DC-DC 24-12V z funkcją ładowania Step Down do 5 V USB z protokołem szybkiego ładowania;
woltomierz i amperomierz 5 V USB;
wtyczka uniwersalna 5V USB;
przetwornica buck 12 V 5A (x2) - przetwornica buck DC-DC z regulacją 12-24-36V 5A;
ściemniacz i gniazdo 12V DC (x1) - RUIZHI DC 12V wodoodporne żeńskie gniazdo zapalniczki samochodowej;
przetwornik boost (x1);
kontroler ładowania turbiny wiatrowej (x1) - Asixx wodoodporny kontroler ładowania wiatrowego 24-12 V 300/600 W;
woltomierz elektroniczny do akumulatorów;
przetwornica buck 12V 15A - przetwornica buck 200 W 15 A DC 3-60 V do 1-36 V step-down, regulowany regulator napięcia, synchroniczny moduł prostowniczy;
falownik (x1) - 300 W lub mniej, przetwornica DC 12 V na AC 220-240 V;
kabel (+10m) - 0,52 mm2, 10 m żył równoległych silikonowych 20AWG 11 A (10 m z każdej żyły).

Elementy montażowe

śruby M3 - służą do montażu elementów elektronicznych do deski;
śruby M6 - służą do przymocowania silnika do drewnianej płyty;
śruby M8 - do przymocowania dwóch części deski rozdzielczej;
duży zawias drzwiowy - do zamocowania silnika pod odpowiednim kątem;
metalowe wsporniki montażowe (wszystkie rozmiary i kształty) - do wzmocnienia konstrukcji;
gumowe zaciski metalowe - do przymocowania deski rozdzielczej do uchwytu rowerowego;
klej do drewna, wkręty (wszystkie rozmiary), śruby, podkładki i nakrętki (zwykłe, zamkowe, zaokrąglone, w kształcie skrzydełek), drewniane knagi i deski, czarna farba akrylowa itp.

Koszty

Uwzględniamy tylko te elementy, które rzeczywiście użyliśmy:

Generator:

stary rower treningowy (używany): 60 euro;
generator: 60 euro
wałek z trzpieniem: 10 euro
wrzeciono: 3 euro
Suma: 133 euro

Tablica rozdzielcza (wszystkie obwody):

kable: 17 euro
złącza: 25 euro
analogowy woltomierz: 9 euro
analogowy amperomierz: 9 euro
przełączniki: 20 euro
dioda: 1 euro
bezpiecznik: 1 euro
Suma: 82 euro

Obwód 5V

5V USB przetwornica buck (2x): 8 euro
5V USB analogowy wskaźnik V&A: 8.50 euro
rozdzielacz USB: 30 euro
Suma: 46.5 euro

Obwód 12V

12V 5A przetwornica buck (2x): 24 euro
12V 5A przetwornica boost: 8 euro
12V 15A przetwornica buck: 25 euro (dodatkowy układ dodaliśmy później)
ściemniacz: 7.50 euro
Suma: 64.5 euro

Obwód 14.4V

falownik: 50 euro
akumulator (14Ah): 31 euro
kontroler ładowania wiatrowego: 34 euro
Suma: 115 euro

Elementy mocujące

do zamocowania tablicy rozdzielczej i generatora: +/-30 euro

Łączny koszt

Suma całkowita: 471 euro

Maksymalne natężenie prądu wszystkich komponentów (ograniczenie obwodu):

Wszystkie komponenty muszą wytrzymać moc prądu, który będzie przez nie płynąć. Napięcie zwykle nie stanowi problemu, ale trzeba uważać na natężenie prądu. Produkcja energii była ograniczona do 60 watów (12 V, 5 A) - jednak po dokładnym czyszczeniu i nasmarowaniu napędu odkryliśmy, że rower może wytwarzać prawie dwa razy więcej mocy (12 V, 8-9 A). Wymagało to od nas dokonania pewnych modyfikacji.

Komponenty stają się droższe, gdy wzrasta ich maksymalne znamionowe natężenie prądu. W przypadku systemów 12 V, 220 V i 14,4 V trzymaliśmy się limitu 5 A. Chociaż prądnica rowerowa może wytwarzać więcej prądu, zwykle łączymy kilka obwodów - każdy z nich jest ograniczony do 5 A. Dodaliśmy obwód 12V z przetwornicą buck 15 A i grubszymi przewodami, aby zasilić urządzenie o większej mocy. Obwód ten całkowicie omija deskę rozdzielczą. Planujemy przenieść go do nieregulowanego obwodu elektrycznego na desce rozdzielczej (i zmodernizować okablowanie).

Kable: 11 A, 18 A do dodatkowego obwodu
Konwertery buck USB: 2 A
2 x przetwornica buck: 5 A
1 x przetwornica buck: 15 A
Przetwornica boost: 5 A
Wyłączniki: 20 A
Dioda: 10 A
Bezpiecznik: 12 A
Złącza: 20 A

Potrzebne narzędzia

Obcinak do drutu
Mały śrubokręt (do regulacji napięcia wyjściowego w przetwornicach buck i boost)
Kalkulator, multimetr, licznik rowerowy
Lutownica - przylutowaliśmy przełączniki on/off i dwie przetwornice buck USB. Można jednak tego uniknąć. Przełączniki można kupić wstępnie okablowane, a w przypadku konwerterów USB istnieją alternatywne rozwiązania
Piła do drewna - do wykonania bagażnika
Piła do metalu - do wycięcia niestandardowych prętów gwintowanych
Wiertarka - do montażu półki na bagaż i deski rozdzielczej
Zestaw kluczy nasadowych: bardzo przydatny podczas prac przy rowerze

Pierwszy prototyp

Panel sterowania może przybrać różne formy, można przy nim korzystać z różnych narzędzi i materiałów. Pierwszy prototyp zbudowaliśmy z kawałków drewna i klocków Meccano, następnie przymocowaliśmy go do kierownicy za pomocą żelaznego drutu i kilku drewnianych klocków.

Na początku przykręciliśmy generator do dużej drewnianej deski i postawiliśmy na nim rower. W desce zrobiliśmy otwory na cztery nogi, tak aby rower zawsze stał dokładnie tam, gdzie powinien. Taka konfiguracja działała i nadawała się do wypróbowania różnych rozmiarów wrzecion, ale zajmowała znacznie więcej miejsca niż nasza ostateczna konfiguracja.

Specjalne podziękowania dla Adriana Parra, Eris Belil, Gabriela Verdeila i Manvela Arzumanyana.

Tłumaczenie: Michał Kolbusz

Korekta przekładu polskiego: Natalia Wójcik

Aby obliczyć liczbę obrotów na pedałach, należy pedałować 15 sekund na rowerze i policzyć liczbę pełnych obrotów pedałów (lewy lub prawy pedał wykonuje pełny obrót). Pomnóż tę liczbę przez cztery. ↩︎
Istnieje wiele innych typów złączy USB, ale wymagają one stałego napięcia wejściowego 12 V. ↩︎

Czy da się zbudować low-techowy panel solarny?

Tue, 05 Oct 2021 00:00:00 +0000

Zdjęcie: George Cove stoi przy swoim trzecim prototypie panelu słonecznego. Źródło: „Wytwarzanie energii za pomocą promieni słonecznych, *Popular Electricity*, wyd. 2, nr 12, kwiecień 1910 roku, strona 793.

Bardziej wydajne, mniej zrównoważone

Od czasu kiedy Laboratoria Bell’a zaprezentowały światu pierwszy panel fotowoltaiczny w latach 50. XX w. rozwój technologiczny skupił się na redukcji kosztów i zwiększaniu sprawności ogniw krzemowych. Badacze osiągnęli niemały sukces na tych polach. Sprawność paneli solarnych wzrosła z mniej niż 5% w latach 50. do ponad 20% dzisiaj, a koszt za jeden wat mocy szczytowej spadł z 30 dolarów w 1980 roku do 0.2 dolara w 2020 r. Niższa cena – do czego przyczynia się wyższa sprawność – jest uważana za kluczowy czynnik, który pozwoli fotowoltaice konkurować na rynku energii elektrycznej z paliwami kopalnymi.

Jednak pod względem zrównoważenia niewiele udało się poprawić. Chociaż minęło siedem dekad od powstania pierwszych krzemowych ogniw, ciągle nie nadają się one do recyklingu i w tysiącach ton lądują jako odpad na wysypiskach – w nadchodzących latach będzie ich coraz więcej. Panele solarne mają żywotność około 25-30 lat ((analiza rynku fotowoltaiki w Niemczech wskazuje, że ogniwa krzemowe mają krótszą żywotność, wynoszącą ok. 17-18 lat, przyp. tłum.), a większość z nich została zainstalowana niedawno. Badacze przewidują, że do 2050 roku prawie 80 milionów ton paneli słonecznych zakończy swój żywot. ¹ ² ³ Oznacza to ogrom zmarnowanych surowców i zagrożenie dla środowiska – złomowane panele zawierają toksyczne substancje i stwarzają ryzyko pożarowe.

Produkcja fotowoltaiki wymaga dużych nakładów finansowych i długich łańcuchów dostaw, a to blokuje rozwój lokalnej produkcji w mniej zamożnych krajach i drobnym, garażowym wytwórców.

Produkcja paneli fotowoltaicznych jest równie problematyczna. Generuje toksyczne substancje i wymaga globalnych łańcuchów dostaw, w tym: drogich fabryk, skomplikowanych maszyn, kopalń minerałów i ciągłego dopływu paliw kopalnych. W analizie cyklu życiowego paneli słonecznych naukowcy policzyli ile energii i materiałów potrzeba do ich zbudowania, jednak nie uwzględnili w obliczeniach ogromnych nakładów energii potrzebnych na powstanie i utrzymanie globalnych łańcuchów dostaw. ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ Taka analiza nie pokazuje więc prawdziwego kosztu paneli fotowoltaicznych, który wyraża się w zużytych paliwach kopalnych, wyemitowanych zanieczyszczeniach i gazach cieplarnianych. Co więcej, produkcja fotowoltaiki, wymagająca dużych nakładów finansowych i długich łańcuchów dostaw, blokuje rozwój lokalnej produkcji w mniej zamożnych krajach i drobnym, garażowym wytwórcom.

Szukając inspiracji w przeszłości

Czy fotowoltaika musi być niezrównoważona, nierecyklingowalna i uzależniona od kapitałochłonnych zaawansowanych technologii wytwarzania? A może da się ją wytwarzać prostszymi metodami z lokalnie dostępnych i możliwych do recyklingu materiałów? Innymi słowy, czy można zbudować low-techowy panel fotowoltaiczny? A jeśli tak, to jakie będę koszty i sprawność?

Zanim postaramy się odpowiedzieć na te pytania, musimy zaznaczyć, że najlepszą low-techową alternatywą dla high-techowych paneli solarnych nie jest low-techowy panel, tylko bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej bez zamiany jej na elektryczność. Na przykład, sznurek na bieliznę i solarne grzanie wody są znacznie bardziej wydajne, zrównoważone i opłacalne niż suszarka bębnowa i bojler elektryczny zasilany fotowoltaiką. Energię słońca można wykorzystywać bezpośrednio, używając lokalnych materiałów, niezbyt zaawansowanych procesów technologicznych i krótkich łańcuchów dostaw.

Jednakże w tym artykule próbuję szczerze odpowiedzieć na postawione pytanie: czy możemy zbudować low-techowe urządzenia fotowoltaiczne, które zamieniają promienie słoneczne na elektryczność? W poprzednim artykule zobaczyliśmy, że z historii możemy czerpać inspirację do budowy bardziej zrównoważonych turbin wiatrowych. Czy historia zainspiruje nas również do poszukiwań bardziej zrównoważonych ogniw solarnych?

Prehistoria ogniw solarnych

Zaprezentowany w roku 1954 panel fotowoltaiczny Laboratoriów Bell’a nie wziął się znikąd. Korzenie krzemowych ogniw słonecznych sięgają prostszych urządzeń, które wytwarzały prąd elektryczny ze światła lub z ciepła.

W 1821 roku Thomas Seebeck odkrył, że w obwodzie wykonanym z dwóch różnych metali ze złączami o różnych temperaturach popłynie prąd elektryczny. Ten „efekt termoelektryczny” stanowił podstawę działania „generatora termoelektrycznego” — urządzenia, które przekształca ciepło (na przykład z pieca opalanego drewnem) bezpośrednio na energię elektryczną. W 1839 roku Antoine Becquerel odkrył, że światło można również zamieniać w elektryczność, a w latach 70. XIX wieku kilku naukowców odkryło ten sam efekt w ciałach stałych - zwłaszcza w selenie. „Efekt fotoelektryczny” stał się podstawą „generatora fotoelektrycznego”, który teraz nazywamy generatorem fotowoltaicznym lub ogniwem fotowoltaicznym. W 1883 roku Charles Fritts skonstruował pierwszy w historii moduł fotowoltaiczny wykorzystując selen na cienkiej warstwie złota. ¹² ¹³ ¹⁴

Od lat 20. XIX w. aż do lat 50. XX w. praktyczne zastosowanie urządzeń termoelektrycznych i fotoelektrycznych było ograniczone. Wynalazcy zbudowali wiele eksperymentalnych generatorów termoelektrycznych (zwykle zasilanych płomieniem gazowym), jednak ich sprawność nie przekraczała 1%. Podobnie panel słoneczny Charlesa Frittsa (i później wyprodukowane selenowe ogniwa słoneczne) osiągnęł zaledwie 1-2% wydajności w przekształcaniu światła słonecznego w energię elektryczną. ¹⁵ Mówiąc krótko, okres przed latami 50. XX w. nie wydaje się dawać wiele inspiracji do budowy bardziej zrównoważonych paneli fotowoltaicznych.

Zapomniany pionier energii solarnej

Historia paneli słonecznych zdaje się być niekompletna. W 2019 roku otrzymałem maila od czytelnika Low-tech Magazine, Philipa Pesavento:

„Badam od początku lat 90. [historię] wczesnego pioniera technologii ogniw solarnych z przed drugiej wojny światowej. Jestem już za stary, żeby w jakikolwiek sposób kontynuować [tę pracę], jednak jest jeden, lub dwa, artykuły naukowe o Panu Cove, jednak zupełnie mylą się co do tego, co on osiągnął. Załączam pdf z prezentacją PowerPoint, którą zrobiłem w 2015, ale nigdy nikomu nie pokazałem. Jeśli jesteś zainteresowany samemu napisać o nim, mogę przesłać ci pendrive ze wszystkimi materiałami, które zebrałem.”

Jeśli hipotezy i zebrany przez Philipa Pesavento materiał historyczny są rzetelne, to oznacza, że George Cove postanowił zbudować generator termoelektryczny, ale przypadkowo stworzył generator fotowoltaiczny (ogniwo fotowoltaiczne). Chociaż miało to miejsce na początku XX wieku, Cove uzyskał porównywalną moc wyjściową i wydajność z urządzeniem z Laboratoriów Bell’a z 1954 roku. Jego projekt wykazywał również znacznie wyższą wydajność niż selenowe ogniwa słoneczne budowane w latach 1880-1940. ¹⁶ Philip Pesavento:

„To byłoby ekscytujące udowodnić, że stosunkowo wysokowydajne ogniwa solarne zostały wynalezione 40 lat przed opracowaniem ogniw krzemowych. Co ważniejsze, jeśli okaże się, że przed I wojną światową istniała fotowoltaika i system paneli fotowoltaicznych, może to nieść korzyści, takie jak: taniości surowców, niskiej energii wcielonej potrzebnej do przetwarzania rud na materiały metaliczne, [wyższej] wydajności końcowej ogniwa fotowoltaicznego i łatwości produkcji.”

Innymi słowy, jeśli historyczny opis i hipotezy Philipa Pesavento są prawdziwe, możliwe jest zbudowanie low-techowych paneli słonecznych.

Słoneczny generator elektryczny George Cove

George Cove zaprezentował swój pierwszy „słoneczny generator elektryczny” w 1905 roku w Metropole Building w Halifax w Nowej Szkocji. Poza jedną fotografią nie ma żadnych informacji o tym panelu, ¹⁷ jednak jego moc i wydajność były na tyle niezwykłe, że amerykańscy inwestorzy wysłali do wynalazcy swojego eksperta. W oparciu o oględziny urządzenia przeprowadzone przez rzeczonego eksperta, sprowadzili Cove’a do Stanów Zjednoczonych (Sommerville, stan Massachusetts), aby kontynuował rozwój swojego urządzenia.

W 1909 roku Cove zaprezentował w Sommerville swój drugi generator energii słonecznej. Ten panel o powierzchni 1,5 m² mógł wytwarzać 45 watów mocy i miał wydajność w przetwarzaniu energii słonecznej na energię elektryczną na poziomie 2,75%. W połowie 1909 roku Cove przeniósł się do Nowego Jorku, gdzie zaprezentował swój trzeci prototyp - moduł słoneczny składający się z czterech paneli słonecznych o mocy szczytowej 60 W każdy. Ładował on pięć akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Całkowita powierzchnia wynosiła 4,5 m², maksymalna moc wyjściowa 240 watów, a wydajność sięgnęła 5% – porównywalnie do pierwszego panelu fotowoltaicznego zaprezentowanego przez Laboratoria Bell’a. ¹⁸

Powyżej: Pierwszy panel słoneczny George Cove, zademonstrowany w 1905 roku. Źródło: Technical World Magazine 11, nr 4, czerwiec 1909 roku.

Powyżej: Drugi panel słoneczny Cove, w którym brakuje jednej sekcji. Źródło: Technical World Magazine 11, nr 4, czerwiec 1909 roku.

Powyżej: Trzeci panel słoneczny George Cove. Źródło: „Wykorzystywanie światła słonecznego”, René Homer, Modern Electrics, tom. II, nr 6, wrzesień 1909 roku.

Powyżej: Trzeci panel słoneczny George Cove. Panele są teraz pochylone pod kątem, a nie leżą płasko. Źródło: Literary Digest 1909 r, s. 1153.

Powyżej: Jeden z paneli słonecznych trzeciego zestawu solarnego Cove, ze zdjętą szklaną pokrywą. Źródło: „Wykorzystywanie światła słonecznego”, René Homer, Modern Electrics, tom. II, nr 6, wrzesień 1909 roku.

Chociaż George Cove’a nie znajdziemy w większości opracowań historycznych o energii słonecznej, to jego generator zrobił wrażenie na niektórych popularnych czasopismach technicznych tamtych czasów. Na przykład, w 1909 roku Technical World Magazine napisał, że „ta maszyna jest tania i niezniszczalna jak asortyment kuchenny. Nawet w obecnym, nieco prymitywnym i eksperymentalnym kształcie, w dwa słoneczne dni zmagazynuje energię elektryczną wystarczającą do oświetlenia przeciętnego domu przez tydzień. Wynalazca udowadnia to od miesięcy w swoim zakładzie.” ¹⁹

Wtyki włożone w asfalt

Jak George Cove zdołał zbudować panel solarny wyprzedzający swoje czasy o 40 lat? Według Philipa Pesavento, który ma doświadczenie w inżynierii półprzewodników, Cove zamierzał zbudować udoskonalony generator termoelektryczny (ang. TEG przyp. tłum.), rozwijając eksperymentalne urządzenie Edwarda Westona (Weston stworzył pierwszy eksperymentalny termoelektryczny generator słoneczny w 1888 roku). Wystawił swój generator na działanie ciepła z pieca opalanego drewnem i bezpośredniej energii słonecznej. Intencje Cove’a były, z tego jak sam opisał swoje urządzenie, jasne:

„Ramka zawiera szereg tafli z fioletowego szkła, za którymi pod podkładem z mieszanki asfaltowej znajduje się wiele małych metalowych wtyków. Jeden koniec wtyku jest zawsze wystawiony na działanie promieni słonecznych, podczas gdy drugi koniec jest chłodny i osłonięty.”

Osiągnięcie jak największej różnicy temperatur jest kluczowe w produkcji energii termoelektrycznej, tak więc projekt Cove’a miał sens. Problem polegał na tym, że kiedy mierzył moc wyjściową swojego generatora nie reagował on na ciepło, tak jak powinien to zrobić generator termoelektryczny. Początkowo Cove zauważa, że jego wynalazek wykorzystuje zarówno ciepło, jak i światło do wytwarzania elektryczności pod wpływem energii słonecznej:

„Głównym elementem mojego wynalazku jest osobliwa kompozycja metalowych wtyków, na które słońce działa w taki sposób, że prąd jest generowany nie tylko przez promienie cieplne, ale także przez promienie fioletowe.”

Jednak po dalszych eksperymentach, zarówno z piecem opalanym drewnem jak i energią słoneczną, Cove stwierdza:

„Gdy maszyna jest wystawiona na działanie różnych źródeł sztucznego ciepła, w ogóle nie daje prądu. Poza promieniami cieplnymi słońca (podczerwień krótkofalowa), być może w wytwarzaniu prądu elektrycznego aktywne są promienie fioletowe lub ultrafioletowe.”

Głównym ogniwem panelu fotowoltaicznego Cove’a były trzycalowe wtyki, lub pręty metaliczne, ze stopów kilku pospolitych metali. Panel o powierzchni 1,5 m² miał 976 prętów, a zestaw o pow. 4 m² miał 4 razy po 1804 prętów. Nie miało to znaczenia, że chłodny koniec prętów był oddzielony od gorącego warstwą asfaltu. Ważne było to, że Cove przez przypadek zbudował złącze metal-półprzewodnik.

Pasmo wzbronione półprzewodników

George Cove nie rozumiał jak działa jego generator słoneczny – podobnie jak nikt inny w tym czasie. Dopiero praca Einsteina nad efektem fotoelektrycznym (z 1905 r.) i późniejsze odkrycia mechaniki kwantowej (lata 30. XX wieku i późniejsze) pozwoliły zrealizować koncepcję półprzewodnikowego pasma wzbronionego (inaczej przerwy energetycznej). Elektrony krążą wokół jądra atomu w różnych „stanach” tworzących obszary zwane „pasmami”. Te pasma utrzymują swoje elektrony na właściwym miejscu. Pomiędzy tymi pasmami znajdują się „pasma wzbronione” – stany, w których żaden elektron nie może się znajdować.

George Cove nie rozumiał jak działa jego generator słoneczny, podobnie jak nikt inny w tym czasie.

Przewodniki nie mają pasm wzbronionych, więc płyną przez nie elektrony. Dlatego właśnie drut miedziany przewodzi prąd. W izolatorach (takich jak drewno, szkło, tworzywa sztuczne czy ceramika) występują bardzo szerokie przerwy energetyczne blokujące przepływ elektronów. Za to w półprzewodnikach istnieją stosunkowo wąskie przerwy, co pozwala im działać jako izolator lub jako przewodnik. Półprzewodniki mogą stać się przewodnikami gdy absorbują „foton” (elementarną cząstkę światła) o potencjale energetycznym równym lub większym niż pasmo wzbronione materiału półprzewodnikowego. ²⁰

Zrozumienie działania półprzewodników doprowadziło w latach 50. XX w. do narodzin nowoczesnego ogniwa fotowoltaicznego. Poprawiła się również wydajność generatorów termoelektrycznych – jednak z innych powodów. Generatory termoelektryczne nie wykorzystują pasma wzbronionego półprzewodników, lecz półprzewodniki mają wyższe napięcia termiczne i niższe przewodnictwo cieplne, niż metale i stopy metali bez przerwy energetycznej, dzięki czemu generatory termoelektryczne są bardziej wydajne.

Złącze Schottky’ego

Aby efekt fotowoltaiczny mógł zaistnieć, musi istnieć pewna niejednorodność w systemie. W latach pięćdziesiątych naukowcom z Laboratoriów Bell’a udało się to zrobić za pomocą tzw. złącza p-n, które tworzy granicę między półprzewodnikiem naładowanym dodatnio i ujemnie. Półprzewodniki typu p mają luki elektronowe zwane „dziurami” (które przyciągają elektrony), podczas gdy półprzewodniki typu n mają dodatkowe elektrony. Na styku obu jest potencjał elektryczny.

Ogniwo fotowoltaiczne można zbudować również z tzw. złącza Schottky’ego, które łączy półprzewodnik z metalem. W tym przypadku metal działa jako półprzewodnik typu n. Philip Pesavento:

„Moja hipoteza jest taka, że George Cove natknął się na kontaktowe ogniwo fotowoltaiczne Schottky’ego dziesiątki lat przed tym, jak zostało opisane przez Waltera Schottky’ego. ²¹ Istnieje możliwość odpowiedzi fotowoltaicznych (głównie) i termoelektrycznych wychodzących z tych urządzeń. Złącze było wykonane ze stopu cynku i antymonu – o którym teraz wiemy, że jest półprzewodnikiem. Było on z jednej strony zamknięte przez [tzw.] nowe srebro (stop miedzi, niklu i cynku, przyp. tłum.) i miedź na przeciwległym końcu. W ten sposób powstał odpowiedni kontakt omowy i kontakt Schottky’ego. To jest właśnie urządzenie fotowoltaiczne.”

Przypadkowe odkrycie

Według Philipa Pesavento George Cove prawdopodobnie zaczął od nowego srebra jako materiału ujemnego na obu końcach wtyków i stopu antymonowo-cynkowego (ZnSb) jako materiału dodatniego. Były to wówczas najlepsze dostępne materiały termoelektryczne:

„Prawdopodobnie skończyło mu się nowe srebro i podstawiona miedź na dokończenie wiązki wtyków, ponieważ różnica w napięciu termoelektrycznym między miedzią a nowym srebrem była niewielka. Następnie, podczas testów, Cove zauważył, że te wtyki (z nasadką z nowego srebra na jednym końcu i miedzianą nasadką na drugim końcu) dają znacznie większe napięcie: 100s mV w porównaniu ze zwykłymi 10s mV dla generatora termoelektrycznego.”

Co z tego wyszło? Używając miedzi Cove nieświadomie zbudował złącze Schottky’ego. To zmieniło jego generator termoelektryczny w „generator termofotowoltaiczny”. Takie urządzenie działa tak samo jak ogniwo fotowoltaiczne, ale na innych długościach fali elektromagnetycznej. Widmo słoneczne obejmuje zakres od około 0,5 do 2,9 elektronowoltów (eV), od podczerwieni do ultrafioletu. Półprzewodnik z pasmem wzbronionym między 1,0 a 1,7 eV wydajnie przekształca światło widzialne w energię elektryczną (generator fotowoltaiczny), podczas gdy półprzewodnik z przerwą energetyczną między 0,4 a 0,7 eV sprawnie przekształca krótkofalową energię słoneczną podczerwoną w energię elektryczną (generator termofotowoltaiczny).

Powyżej: Rysunek z patentu [George Cove’ z 1906 roku](https://patentimages.storage.googleapis.com/bc/bb/50/6683e8b44edd4c/US824684.pdf) przedstawia stop cunku-antymonu “b”; nasadkę (omową) z nowego srebra”; i nasadkę zamykającą z miedzi lub cyny (Schottky) “f”. Wszystkie elementy są łączone na wcisk, ponieważ połączenia lutowane zmniejszyłyby wydajność.

Dzisiaj wiemy, że stop ZnSb (materiał ujemny we wtykach Cove’a) jest półprzewodnikiem o paśmie wzbronionym 0,5 eV. To w dużej mierze wyjaśnia, dlaczego wynalazca początkowo zaobserwował, że jego generator solarny przetwarza zarówno ciepło, jak i światło na energię elektryczną. Generator termofotowoltaiczny dopasowuje się nie tylko do podczerwonego ogona widma słonecznego – dopasowuje się również do bezpośredniego widma płonącego płomienia lub gorącej do czerwoności powierzchni ogrzewanej spalaniem drewna czy gazu ziemnego. Przekształca także (z bardzo niską wydajnoscią) w energię elektryczną dolną część widma widzialnego.

Według Philipa Pesavento Georgowi Cove udało się następnie udoskonalić skład stopu zbliżony do Zn4Sb3 – stopu cynkowo-antymonowego o proporcjach 4 części cynku do 3 części antymonu. Dzisiaj wiadomo, że ten stop to również półprzewodnik. Ma jednak pasmo wzbronione 1,1 eV – bardzo zbliżone do pasma krzemu (1,2 eV). W konsekwencji tej zmiany, jego generator termofotowoltaiczny przekształcił się w generator fotowoltaiczny:

„Niesiony na fali entuzjazmu Cove wpadł na to, że użyje większej liczby wtyków i jakoś wyszły mu „złe” proporcje na jednej partii. Potem kiedy zmierzył napięcie,pomiar był jeszcze wyższy. Na końcu, skrupulatnie zbadał stopy cynku i antymonu i odkrył, że stop w proporcjach 40-42% cynku daje najwyższe napięcie (w porównaniu do udziału 35% cynku w ZnSb). Po (przypadkowym) odkryciu, że wyższe pasmo wzbronione półprzewodnika Zn4Sb3 oznacza, że nie działa on już wystawiony na ciepło z pieca [zaobserwował, że] działa nawet lepiej wystawiony na promieniowanie słoneczne – ponieważ teraz przekształca o wiele więcej pasma widzialnego światła słonecznego na elektryczność.”

Używając barwionych szklanych filtrów George Cove ustalił, że większość odpowiedzi układu pochodziła z fioletowego końca widma światła, a tylko niewielka z tak zwanych „promieni cieplnych”. Jego wcześniejsze wtyki PV reagowały równie dobrze na promienie „cieplne” i fioletowe, podczas gdy starsze generatory termoelektryczne (nowe srebro na obu końcach) w ogóle nie reagowały na promienie fioletowe.

Powrót ogniwa solarnego Schottky’ego?

Ogniwa słoneczne ze złączem Schottky’ego nie zdobyły wiele uwagi wśród naukowców i korporacji – niewiele projektów ogniw słonecznych wykorzystuje metale w obszarze aktywnym (oprócz styków). ²² Niemniej jednak Philip Pesavento uważa, że warto byłoby spróbować wyprodukować niektóre ogniwa słoneczne Schottky’ego według projektu George Cove’a:

„Gdyby można było wykazać, że Zn4Sb3 (przerwa energetyczna 1,2 eV) może być wykorzystany w ogniwie fotowoltaicznym, to istnieje duża szansa, że taki projekt ogniwa słonecznego będzie zrównoważony (w sensie oddziaływania na środowisko, przyp. tłum). Byłby dobrym kandydatem do szybkiego EROI (to oznacza, że energie włożona w jego wyprodukowanie szybko by się zwróciła, przyp. tłum.) i miałby akceptowalnie długi okres eksploatacji z nadwyżką produkcji energii przez kilkadziesiąt lat. To zdumiewające, ale wydaje się, że wszyscy przeoczyli ten materiał i jego przydatność w ogniwach fotowoltaicznych, i że nie dokonano żadnego postępu [w jego użyciu] – nawet po tym, jak chwilowo badacze uznali go za możliwą początkową opcję [materiału] do połowy lat 80. XX wieku. Wpisuje się on w kategorię „przedwczesnego odkrycia”, co powinno znaczyć, że w dzisiejszych czasach może się bardzo szybko rozwinąć”.

Oprócz fotowoltaiki Philip Pesavento dostrzega potencjał wykorzystania termofotowoltaiki dla pieców na drewno, kolektorów słonecznych lub zastosowań tandemowych z dwoma złączami, wykorzystując ZnSb zamiast Zn4Sb3. Co więcej, uważa on, że jeśli ogniwa słoneczne typu plug-in okażą się skuteczne to pozwolą na budowę kolektorów słonecznych z połączonych koncentratorami liniowymi – takimi jak rynny paraboliczne lub nie-obrazujące koncentratory CPC – przy znacznie obniżonych kosztach.

Proste wytwarzanie

Podstawową zaletą wynalazku Cove’a byłaby prostsza metoda produkcji w porównaniu do popularnych ogniw krzemowych. W latach 70. i 80. naukowcy badali Zn4Sb3 pod kątem zastosowania w fotowoltaice i doszli do wniosku, że „oczywistymi zaletami tego materiału są prostota i stosunkowo niska temperatura potrzebna w procesie wytwarzania.” ²³ Temperatura topnienia Zn4Sb3 wynosi 570 stopni Celsjusza, a krzemu 1400 stopni.

W latach 70. naukowcy badali ogniwa słoneczne ze złączem metal-półprzewodnik oparte na innych typach półprzewodników niż Zn4Sb3. Chcieli opracować prostszy i tańszy proces produkcji w porównaniu z ówczesnymi krzemowymi ogniwami słonecznymi ze złączem p-n. ²⁴ ²⁵ Ogniwa Schottky’ego nie wymagają wysokotemperaturowego etapu dyfuzji fosforu, który zwykle tworzy warstwę n złącza p-n w dzisiejszym ogniwie krzemowym - samo to zmniejsza wkład energii w proces o 35%. ²²

W latach 80. naukowcy poczynili znaczne postępy w rozwoju krzemowych złącz p-n i to doprowadziło do spadku zainteresowania alternatywami. Jednak w ostatnich latach zainteresowanie powraca. Na przykład, badania nad grafenowo-krzemowymi ogniwami słonecznymi Schottky’ego pokazują, że „jedną z zalet jest prosta i tania produkcja urządzeń, które nie wymagają wysokich temperatur”. ²⁶ W innych, niedawno przeprowadzonych badaniach, naukowcy dochodzą do wniosku, że „urządzenia selenowe typu Schottky’ego są… niezwykle proste i tanie w produkcji.” ²⁷ ²⁸ ²⁹ ³⁰

Łatwiejszy recykling

Kolejną zaletą ogniw słonecznych Schottky’ego może być ich łatwiejszy recykling. Moduły krzemowe są umieszczane pomiędzy dwoma warstwami laminatu (zazwyczaj EVA, czyli kopolimeru etylenu/octanu winylu). Warstwy te są niezbędne do zapewnienia żywotności modułu. ¹ ² ³ Aby poddać recyklingowi krzem – najcenniejszy składnik panelu słonecznego – warstwy laminatu muszą zostać oddzielone, ale nie można ich po prostu wypalić, bo to zniszczy moduły. Ogniwa krzemowe można poddawać recyklingowi tylko poprzez skomplikowane etapy obróbki termicznej, chemicznej i metalurgicznej. To kosztowny i nieobojętny dla środowiska proces. Chociaż można się spotkać z doniesieniami, że około 10% paneli fotowoltaicznych jest „poddawanych recyklingowi”, to bardziej prawdopodobne jest, że przechodzą tzw. „downcycling”. Moduły są po prostu rozdrabniane na kawałki, a powstały materiał stanowi wypełniacz w asfalcie i cemencie.

Ogniwa zbudowane przez George’a Cove dałoby się całkowicie przetworzyć. Nie wymagały warstwy ochronnej laminatu, ani nawet lutowanych styków. Philip Pesavento:

„Gdybyś miał zbudować ogniwa dokładnie tak, jak zrobił to Cove, [tj.] na wcisk montując nasadki, a następnie owijając je drutem dla szczelności, to byłyby prostsze do recyklingu, który stałby się w pełni mechaniczną czynnością. Nie potrzeba by było żadnych chemikaliów. Złożenie i rozłożenie byłoby pracochłonne, ale można by to zautomatyzować”.

Pesavento wierzy, że z materiału Cove’a można zbudować także płaskie ogniwa słoneczne, jednakże to, czy wymagałyby one warstwy ochronnej utrudniającej recykling, musi się dopiero okazać. W latach 70. ogniwa solarne Schottky’ego (oparte na innych materiałach) nie zawsze wymagały warstwy ochronnej, a osiągały żywotność dłuższą niż 20 lat. ²⁴

Sprawność

Jeśli moglibyśmy budować prostsze panele słoneczne, to jaką sprawność by one osiągały? Zdaniem Philipa Pesavento ogniwa Schottky’ego zrobione z tych samych materiałów są trochę mniej sprawne od złączy p-n, ponieważ złącza p-n dają wyższe napięcie – otrzymują więcej energii z zaabsorbowanych fotonów:

„Kiedy liczy się każdy ułamek procenta sprawności - robisz to [i używasz złączy P-N]. Jeśli twoim celem jest uproszczenie wytwarzania, posługując się ręcznymi lub rzemieślniczymi metodami, to dioda Schottky’ego będzie bardziej logicznym wyborem”.

Z drugiej strony, może da się zbudować ogniwo Schottky’ego cieńsze niż ogniwo krzemowe? To podniosłoby ich sprawność? Philip Pesavento:

„Nie znalazłem szczegółowych parametrów [m.in] prędkości nośnika, żywotności rekombinacji czy współczynnika absorpcji, żeby jasno to powiedzieć. Ale fakt, że Cove zrobił tak długie i cienkie ogniwa, oraz to że osiągnął tak wysoką wydajność, daje nadzieję, że mogłyby być cieńsze”.

Ostatnie badania nad ogniwami Schottky’ego oparte na innych materiałach wydają się to potwierdzać. Na przykład, w niedawnych eksperymentach z selenowymi ogniwami Schottky’ego osiągnięto grubość warstwy zaledwie 100 µm w porównaniu do 200-500 µm w przypadku ogniw krzemowych. ²⁷ ³¹ Naukowcy osiągnęli również 17% sprawności podczas eksperymentu dla grafenowo-krzemowego ogniwa Schottky’ego w porównaniu z 1,5% jeszcze dziesięć lat wcześniej. ²⁶

Powinniśmy dzisiejszą obsesję na punkcie wyższych wydajności wziąć w znak zapytania. Wiele osób będzie argumentować, że low-techowe panele słoneczne są mniej wydajne, więc będziemy potrzebować więcej paneli słonecznych, aby wytworzyć taką samą moc wyjściową. W efekcie zasoby zaoszczędzone dzięki prostszym metodom produkcji zostaną zniwelowane dodatkowymi zasobami zużytymi do budowy większej liczby paneli słonecznych. Jednak wydajność ma kluczowe znaczenie tylko wtedy, gdy przyjmujemy wysokie zapotrzebowanie na energię za pewnik. Spadek wydajności można równie dobrze zrekompensować zmniejszeniem zapotrzebowania na energię, zwłaszcza gdy doprowadzi to do większej trwałości ogniw i mniejszego zużycia surowców w całym łańcuchu dostaw. Podobnie jak w przypadku turbin wiatrowych, poświęcenie części wydajności może przynieść wiele korzyści w zakresie stopnia zrównoważenia.

Co się stało z George’m Cove?

Skoro panele solarne Cove były tak rewolucyjne, to dlaczego zostały zapomniane? Pod tym względem materiały zebrane przed Phillipa Pesavento czyta się jak kryminał. Wysiłki Cove’a nad produkcję i sprzedażą swoich paneli zakończyły się w tajemniczych okolicznościach.

Wynalazca zawarł znajomość z giełdowym spekulantem Elmerem Burlingame, który w 1909 i 1910 roku wypuścił na giełdzie akcje nie należące do niego, w tym akcje start-upu Cove’a tj. Sun Electric Generator Company. W Październiku 1909 roku Cove został rzekomo porwany i grożono mu śmiercią jeśli nie przestanie rozwijać swojego wynalazku. Policja jednak odrzuciła tę historię i uznała ją za przekręt. W 1911 roku Cove i Burlingame zostali aresztowani za defraudację akcji i spędzili rok w więzieniu. Chociaż po wyjściu na wolność Cove pracował nad różnymi wynalazkami, to jednak żaden z nich nie miał już nic wspólnego z energią solarną. ³²

W Październiku 1909 roku George Cove został rzekomo porwany i grożono mu śmiercią jeśli nie przestanie rozwijać swojego solarnego wynalazku.

Czy George Cove był oszustem? A może był ofiarą oszustwa? Czy jego reputacja została zniszczona ponieważ jego wynalazki zagrażały interesom innych firm? Istnieje wiele historycznych przykładów tłumienia innowacji technologicznych przez wielkie amerykańskie korporacje. George Cove działał w tym samym czasie co Edison Electric Illuminating Company z Nowego Jorku, której pozbawione skrupułów praktyki wobec konkurencji są dobrze udokumentowane. Gdyby generator energii słonecznej Cove’a się upowszechnił, mógłby zmniejszyć rosnące zapotrzebowanie na elektrownie węglowe i olejowe Edison Company. ³² Wcześniej, w latach 80. XIX wieku, niesławna korporacja z Nowego Jorku kupiła firmę produkującą najlepszy w tamtych czasach generator termoelektryczny (ulepszony stos termoelektryczny Clamondsa) i następnie zatrzymała rozwój maszyny. ³³

Więcej zagadek

Chociaż można się pokusić o przedstawienie George Cove jako ofiary spisku, to brakuje nam wystarczających dowodów. Materiały archiwalne Phillipa Pesavento zawierają więcej tajemnic, jak np. patent Cove’a złożony w 1905 roku i zatwierdzony w 1906 r. W patencie wynalazca opisuje w szczegółach wykonanie swoich wtyków ze stopu Zn4Sb3. Na tej podstawie Pesavento oszacował moc wyjściową i sprawność modułówi słonecznych Cove’a. Jednak Cove opisuje swoje wtyki z przeznaczeniem do konwersji ciepła z pieca opalanego drewnem na energię elektryczną, co nie jest zgodne z jego własnym wyborem materiału. Aby generator zasilany piecem działał, wymagał wtyczek ZnSb z przerwą energetyczną 0,5 eV. Phillip Pesavento:

„Czy to było celowe wprowadzenie w błąd ze strony Cove’a, aby nie dopuścić innych do skopiowania projektu jego patentowego pieca? Nie wiem tego”.

Co jeszcze bardziej zaskakujące, zdjęcie przedstawiające Cove stojącego obok jednego ze swoich paneli słonecznych pojawia się w historycznym przeglądzie energii słonecznej Johna Perlina z 2013 r.: Let It Shine: The 6000-Year Story of Solar Energy (Niech świeci: 6000 tysięcy lat historii energii słonecznej). Jednak panel słoneczny na zdjęciu przypisywany jest Charlesowi Frittsowi, wynalazcy selenowego ogniwa słonecznego. Co więcej, sam George Cove zniknął z fotografii. Fragmenty książki oraz zdjęcie pojawiły się na kilku stronach internetowych. Philip Pesavento nie był zdziwiony, gdy zadzwoniłem po tym odkryciu:

„Odkryłem to samo kilka lat temu. Myślę, że ktoś bardzo potrzebował zdjęcia paneli słonecznych Frittsa, znalazł to zdjęcie, a następnie wyciął z niego George’a Cove’a. W końcu Cove jest całkowicie nieznany i uważa się, że wynalazł solarny generator termoelektryczny, a nie panel fotowoltaiczny. Jeśli przyjrzysz się uważnie tym dwóm fotografiom, zobaczysz, że góra prawego portyku kolumny za nim została wycięta i wklejona w miejscu, w którym stał Cove […].”

Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. ↩︎ ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎ ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎ ↩︎
Hornborg, Alf, Gustav Cederlöf, and Andreas Roos. “Has Cuba exposed the myth of “free” solar power? Energy, space, and justice.” Environment and planning E: Nature and space 2.4 (2019): 989-1008. ↩︎
Cederlof, Gustav, and Alf Hornborg. “System boundaries as epistemological and ethnographic problems: Assessing energy technology and socio-environmental impact.” Journal of Political Ecology 28.1 (2021): 111-123. ↩︎
Bartie, N. J., et al. “The resources, exergetic and environmental footprint of the silicon photovoltaic circular economy: Assessment and opportunities.” Resources, Conservation and Recycling 169 (2021): 105516. ↩︎
Powell, Douglas M., et al. “The capital intensity of photovoltaics manufacturing: barrier to scale and opportunity for innovation.” Energy & Environmental Science 8.12 (2015): 3395-3408. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “An environmentally conscious photovoltaic supply chain network design under correlated uncertainty: A case study in Iran.” Journal of Cleaner Production 262 (2020): 121434. ↩︎
Carvalho, Maria, Antoine Dechezleprêtre, and Matthieu Glachant. Understanding the dynamics of global value chains for solar photovoltaic technologies. Vol. 40. WIPO, 2017. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “Resilient solar photovoltaic supply chain network design under business-as-usual and hazard uncertainties.” Computers & Chemical Engineering 111 (2018): 288-310. ↩︎
Kumar, Abhishek, et al. “Economic viability analysis of silicon solar cell manufacturing: Al-BSF versus PERC.” Energy Procedia 130 (2017): 43-49. ↩︎
Fritts, Charles E. “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use.” American Journal of Science 3.156 (1883): 465-472. ↩︎
Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current*. Nature 7, 303 (1873). ↩︎
Green, Martin A. “Silicon photovoltaic modules: a brief history of the first 50 years.” Progress in Photovoltaics: Research and applications 13.5 (2005): 447-455. ↩︎
Perlin, John. Let it shine: the 6,000-year story of solar energy. New World Library, 2013. ↩︎
Selenium Cells, Thomas William Benson, 1919. ↩︎
Ekstrapolując parametry kolejnego panelu możemy zgadywać, że ten miał moc wyjściową ok. 25 W i sprawność trochę poniżej 3%. ↩︎
George Cove mówił, że zbudował jeszcze większy zestaw solarny o powierzchni 9 m², a nie żadne zdjęcie nie przetrwało. Podobno miał moc wyjściową 768 W i sprawność 8% przy 100 W/ft2 nasłonecznienia. Ten zestaw składał się z 8 paneli i łącznie 14 432 wtyków. ↩︎
Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. ↩︎
Dlaczego w panelach solarnych nie używa się przewodników? Ponieważ światło padające na przewodnik jest prawie w całości odbijane i tylko ułamek energii (albo nic) jest pochłaniany. Co więcej, w przewodnikach elektrony poruszają się chaotycznie, więc nie może być mowy o ukierunkowanym przepływie prądu. ↩︎
Cove nie był pierwszy. Ogniwo solarne Charles’a Frtiis’a również było zbudowane na złączu Schottky’ego. ↩︎
Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). ↩︎ ↩︎
Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs ↩︎
Rothwarf, A., and K. W. Böer. “Direct conversion of solar energy through photovoltaic cells.” Progress in Solid State Chemistry 10 (1975): 71-102. ↩︎ ↩︎
Anderson, W. A., A. E. Delahoy, and R. A. Milano. “An 8% efficient layered Schottky‐barrier solar cell.” Journal of Applied Physics 45.9 (1974): 3913-3915. ↩︎
Yavuz, Serdar. Graphene/Silicon Schottky Junction Based Solar Cells. University of California, San Diego, 2018. ↩︎ ↩︎
Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. ↩︎ ↩︎
Selen można osadzać przez odparowanie termiczne w temperaturze zaledwie 200°C. Temperatura ta jest łatwo osiągalna dla technologii solarnych, co oznacza, że w zasadzie procesy te mogą być prowadzone przez bezpośrednie wykorzystanie energia słonecznej. ↩︎
Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. ↩︎
Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. ↩︎
Zhu, Menghua, Guangda Niu, and Jiang Tang. “Elemental Se: fundamentals and its optoelectronic applications.” Journal of Materials Chemistry C 7.8 (2019): 2199-2206. ↩︎
More details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. ↩︎ ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17 (2014): 1260-1267. ↩︎

Piece Termoelektryczne: Fotowoltaika do Lamusa?

Tue, 26 May 2020 00:00:00 +0000

Ilustracja: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Jeśli popatrzymy na stary, dobry wiatrak (mający już z grubsza 2 tysiące lat) jak na przodka współczesnej turbiny wiatrowej.

Fotosynteza była fundamentem wszystkich historycznych źródeł energii mechanicznej: dzięki niej ludzie i zwierzęta otrzymywali paliwo w postaci pożywienia i drewna do budowy młynów i wiatraków. Chociaż ani staroświecki wiatrak, ani piec na drewno, nie wytwarzają elektryczności to oba można w łatwy sposób do tego przystosować. Wystarczy do wiatraka podpiąć generator prądu, a do pieca generator termoelektryczny.

Generator Termoelektryczny

Generatory termoelektryczne są bardzo zbliżone do generatorów „fotoelektrycznych” - dzisiaj nazywanych „fotowoltaicznymi” (albo ogniwami fotowoltaicznymi). Generator fotowoltaiczny bezpośrednio zmienia światło słoneczne w elektryczność, a generator termoelektryczny bezpośrednio zmienia ciepło w elektryczność. ¹

Generator termoelektryczny składa się z elementów półprzewodnikowych w kształcie sztabek, które są połączone szeregowo z paskami metalu. Z góry i z dołu, sztabki są izolowane ceramicznymi płytkami przewodzącymi ciepło (ale nie prąd elektryczny). Taki zestaw tworzy kompaktowy moduł o budowie „kanapki”. ² Gotowe moduły są dostępne w sprzedaży przez takich producentów jak Hi-Z, Tellurex, Thermalforce i Thermomanic.

Zdjęcie: Moduł termoelektryczny. Gerardtv (CCBY-SA3.0)

Moduł termoelektryczny. Zdjęcie wykorzystane za pozwoleniem Applied Thermoelectric Solutions LLC, [Jak Działa Generator Termoelektryczny](https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-generators-work/).

Przyklej moduł termoelektryczny do powierzchni pieca na drewno, a będzie on wytwarzał energię elektryczną za każdym razem gdy piec będzie rozpalany do gotowania, ogrzewania pomieszczeń lub podgrzewania wody. W eksperymentach i prototypach, które są opisane bardziej szczegółowo w dalszej części artykułu, uzyskano moc wyjściową na moduł od 3 do 19 watów.

Podobnie jak w przypadku paneli słonecznych, moduły termoelektryczne można łączyć ze sobą równolegle i szeregowo, aby uzyskać dowolne napięcie i moc wyjściową - przynajmniej tak długo na ile starczy nam powierzchni pieca. Tak, jak w ogniwie fotowoltaicznym, prąd elektryczny wytwarzany przez moduł/y termoelektryczny jest regulowany przez regulator ładowania i gromadzony w baterii, dzięki czemu nadwyżka energii jest dostępna również wtedy gdy piec nie jest używany. Piec termoelektryczny jest zwykle łączony z urządzeniami niskonapięciowymi na prąd stały, co pozwala uniknąć strat na konwersji wynikających z zastosowania falownika.

Piece termoelektryczne mogą znaleźć zastosowanie w wielu częściach świata. Większość badań nad ich wykorzystaniem celuje w „Globalne Południe”, gdzie prawie 3 miliardy ludzi (40% światowej populacji) jest zależnych od spalania biomasy do grzania wody i gotowania. Niektóre z tych gospodarstw domowych, używają pieców lub palenisk również do oświetlania (1,3 miliarda ludzi nie ma dostępu do elektryczności) oraz do ogrzewania pomieszczeń. Istnieją również badania nad wykorzystaniem pieców termoelektrycznych w społeczeństwach przemysłowych gdzie piece i kominki na biomasą, szczególnie poza miastami, zyskują na popularności.

Sprawność 100%

Od czasu kiedy efekt termoelektryczny został po raz pierwszy opisany przez Thomasa Seebecka w 1821 roku, generatory termoelektryczne cieszą się złą sławą ze względu na słabą sprawność konwersji ciepła na elektryczność. ³⁴⁵⁶ Dzisiejsze moduły termoelektryczne osiągają sprawność rzędu 5-6%, mniej więcej trzy razy niższą niż przeciętny panel fotowoltaiczny. ⁴

Jednak w połączeniu z piecem na biomasę, sprawność konwersji energetycznej modułu termoelektrycznego przestaje być tak istotna. Jeśli moduł osiąga jedynie 5% sprawności, zamieniając energię termalną na elektryczną, to pozostałe 95% energii pozostaje do wykorzystania w postaci ciepła. Jeśli piec jest używany do ogrzewania pomieszczeń to nie można mówić o stratach energii, ponieważ 95% ciepła wykonuje zamierzoną pracę. Całkowita sprawność systemu (ciepło + elektryczność) zbliża się do 100% - energia się nie marnuje. Odpowiednio zaprojektowany piec może ponownie wykorzystać ciepło konwersji elektrycznej do gotowania czy grzania wody.

Bardziej Niezawodny Niż Panel Fotowoltaiczny

Moduły termoelektryczne dzielą wiele zalet z panelami fotowoltaicznymi: są modułowe, wymagają niewiele uwagi, nie mają ruchomych części, pracują bezgłośnie i ich żywotność jest długa. ⁷ Jednak moduły termoelektryczne, jeśli w domu regularnie używa się nieelektrycznego źródła ciepła, oferują coś więcej niż panel solarny.

Chociaż moduły termoelektryczne są prawie trzy razy mniej sprawne od fotowoltaiki, to piece termoelektryczne dostarczają elektryczności w bardziej przewidywalny sposób, ponieważ ich działanie nie jest uzależnione od kaprysów pogody, pory roku czy od obecności słońca na niebie. Używając żargonu inżynierów powiedzielibyśmy; że piece termoelektryczne mają wyższy „współczynnik wykorzystania mocy netto”.

Nawet, jeśli piec używany byłby jedynie do gotowania i grzania wody, to codzienne domowe prace gwarantują przewidywalną produkcję elektryczności bez względu na klimat. Co więcej, produkcja elektryczności przez piece termoelektryczne bardzo dobrze dopasowuje się do zapotrzebowania na prąd gospodarstwa domowego: w tym samym czasie kiedy używa się pieca, z reguły pojawia się potrzeba użycia elektryczności. Niestety, fotowoltaika generuje bardzo niewiele, albo wcale, energii elektrycznej wtedy kiedy potrzeba jej w domu.

Zdjęcie: Radziecki generator termoelektryczny oparty na lampie naftowej zasilający radio. 1959 rok. [Źródło: Muzeum Retrotechnologii](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm).

Pamiętajmy, że ta przewaga znika kiedy generator termoelektryczny jest bezpośrednio zasilany energią słoneczną. Solarne generatory termoelektryczne (z ang. „STEGS”), w których moduł termoelektryczny nagrzewany jest skoncentrowaną wiązką promieni słonecznych, nie zrekompensuje niskiej sprawności modułu swoją wyższą przewidywalnością produkcji energii, ponieważ jest, tak samo jak fotowoltaika, skazany na zmienną pogodę. ⁸⁹¹⁰

Mniejsza Potrzeba Magazynowania Energii

Dzięki większej przewidywalności nie ma potrzeby zbytniej rozbudowy mocy wytwórczej i systemów magazynowania energii, żeby zrekompensować niższą produkcję prądu na jesieni i zimą (oraz w pochmurne dni), tak jak wymaga tego fotowoltaika. Baterie muszę mieć tylko tyle pojemności, aby energii starczyło pomiędzy jednym rozpaleniem pieca, a kolejnym i nie ma potrzeby montować dodatkowych modułów, żeby zrekompensować okresy niskiej produkcji.

Generatory termoelektryczne można łączyć z panelami fotowoltaicznymi, dzięki czemu stworzymy pewny, poza-sieciowy system korzystający jedynie ze skromnych magazynów energii. Taki hybrydowy system dobrze współpracuje z piecem służącym tylko do ogrzewania pomieszczeń. Moduły termoelektryczne dostarczają większości energii zimą, a fotowoltaika latem.

Tańsze w Instalacji, Łatwiejsze w Recyklingu

Drugą przewagą termoelektryki nad fotowoltaiką jest jej łatwiejszy montaż. Nie ma potrzeby budowania konstrukcji na dachu i połączenia elektrycznego ze światem zewnętrznym, ponieważ cała elektrownia znajduje się wewnątrz domu. Zapobiega to również kradzieży instalacji co, w przypadku fotowoltaiki, jest poważnym problemem w niektórych regionach świata.

Wszystkie te czynniki sprawiają, że piec termoelektryczny jest tańszy i bardziej zrównoważony w porównaniu do paneli fotowoltaicznych. Zaoszczędzimy sporo energii, surowców i pieniędzy, które trzeba by zużyć na wyprodukowanie baterii, modułów i infrastruktury towarzyszącej fotowoltaice.

Kolejną przewagą modułów termoelektrycznych jest ich wyższy stopień zrównoważania, ponieważ łatwiej od paneli słonecznych poddają się recyklingowi. Chociaż krzem w ogniwach fotowoltaicznych doskonale nadaje się do ponownego przetworzeniu to problemem jest to, że ogniwa otoczone są warstwą plastiku (przeważnie laminatem „EVA”, czyli etylenem/polimerem winylowym), który jest kluczowy dla długotrwałej sprawności modułu. ¹¹ Zdjęcie warstwy polimerowej bez uszkadzanie ogniw krzemowych jest technicznie możliwe, ale jest to proces tak bardzo złożony, że recykling fotowoltaiki staje się nieatrakcyjny zarówno ze względów finansowych jak i energetycznych. ¹²¹³ Moduły termoelektryczne nie posiadają żadnych elementów plastikowych. ¹⁴¹⁵¹⁶

Chłodzenie Modułów

Sprawność elektryczna generatora termoelektrycznego nie zależy jedynie od samego modułu. W dużej mierze jest związana z różnicą temperatur pomiędzy gorącą, a chłodną stroną modułu. Kiedy różnica temperatur spadnie o połowę to moduł termoelektryczny będzie generował tylko jedną czwartą mocy. W związku z tym, poprawa zarządzania ciepłem generatora termoelektrycznego jest głównym celem projektowania pieców termoelektrycznych, ponieważ umożliwia wytwarzanie większej mocy przy użyciu mniejszej liczby modułów.

Po pierwsze, polega to na zlokalizowaniu najgorętszych miejsc na piecu i zamocowaniu tam modułów - pod warunkiem, że są w stanie przyjąć tyle ciepła. Większość pieców ma temperaturę powierzchni od 100 do 300ºC, natomiast gorąca strona modułów z tellurku bizmutu (najbardziej przystępnych cenowo i wydajnych) wytrzymuje ciągłe temperatury od 150 do 350ºC, w zależności od modelu.

Po drugie, zarządzanie ciepłem sprowadza się do maksymalnego obniżenia temperatury strony chłodnej, co można osiągnąć na cztery sposoby: konwekcją wymuszoną chłodzoną powietrzem i wodą z wykorzystaniem wentylatorów i pomp elektrycznych albo chłodzoną powietrzem lub wodą konwekcją naturalną, która polega na zastosowaniu pasywnych radiatorów nie powodujących pasożytniczego obciążenia systemu.

Wymuszone chłodzenie ma zwykle wyższą wydajność, nawet jeśli weźmie się pod uwagę dodatkowe użycie wentylatora lub pompy. Z drugiej strony, systemy pasywne są tańsze, działają cicho i są bardziej niezawodne niż systemy aktywne. W szczególności awaria wentylatora może być problematyczna, ponieważ przegrzanie może doprowadzić do awarii modułu. ¹⁷

Piece Termoelektryczne Z Radiatorami

Pierwsze piece termoelektryczne na biomasę zostały zbudowane na początku XXI wieku, chociaż Sowieci byli pionierami podobnej koncepcji w latach pięćdziesiątych XX wieku, wykorzystując lampy naftowe do zasilania elektrycznych odbiorników radiowych. ⁶ W 2004 roku zespół libańskich naukowców doposażył typowy żeliwny piec opalany drewnem, powszechnie używany na terenach wiejskich, w wykonany przez zespół, pojedynczy moduł termoelektryczny o wymiarach 56 na 56 mm. ¹⁸

Zdjęcie: Żeliwny piec użyty do testów. [^18]

Naukowcy przykręcili gładką aluminiową płytę o grubości 1 cm do najgorętszego miejsca na powierzchni pieca, następnie do niej zamocowali moduł termoelektryczny, a do zimnej strony modułu dołożyli duży (180 na 136 na 125 mm) aluminiowy radiator żebrowany. Przy szybkości spalania wynoszącej 2,5 kg drewna sosnowego na godzinę, uzyskali średnią moc wyjściową równą 4,2 wata. Dziesięć godzin pracy pieca dziennie (z wyłączeniem fazy rozgrzewania) dostarcza zatem wiejskiemu libańskiemu gospodarstwu domowemu 42 watogodzin energii elektrycznej. Wystarczająco dużo na pokrycie podstawowych potrzeb.

Zdjęcie: Szczegóły budowy pieca termoelektryczny i jego umiejscowienia. [^18]

Zawsze można dodać więcej modułów i radiatorów w celu zwiększenia mocy wyjściowej, ale oczywiście powierzchnia pieca jest ograniczona, a wraz z dodawaniem modułów będą one umieszczane w obszarach o niższej temperaturze co pogorszy ich wydajność. Innym sposobem na zwiększenie produkcji energii jest zastosowanie jeszcze większego radiatora i / lub droższego radiatora wykonanego z materiałów o wyższej przewodności cieplnej.

Piece Termoelektryczne z Wentylatorami

Większość dotychczas zbudowanych pieców termoelektrycznych do chłodzenie modułu wykorzystuje wentylatory elektryczne w połączeniu ze znacznie mniejszym radiatorem. Chociaż wentylator może się zepsuć, i jest pasożytniczym obciążeniem systemu, to jednocześnie pozwala zwiększyć wydajność pieca poprzez wdmuchiwanie gorącego powietrza do komory spalania - zmniejszając tym sposobem zużycie drewna opałowego i zanieczyszczenie powietrza, mniej więcej o połowę. Ponadto, piece z wentylatorem nie potrzebują komina i zamiast niego wystarczy im pozioma rura dymowa. ¹⁹ Dzięki takim rozwiązaniom, piece z własnym zasilaniem, chłodzone wentylatorem umożliwiają zmniejszenie zużycia drewna opałowego i zanieczyszczenia powietrza w pomieszczeniach na wiejskich obszarach Globalnego Południa, gdzie ludzie nie mają łatwego dostępu do elektryczności, ani środków na zbudowanie standardowego komina.

Podczas testów jednomodułowa, termoelektryczna kuchenka z wymuszonym nadmuchem osiągnęła moc wyjściową 4,5 W, z czego 1 W był potrzebny do zasilenia wentylatora. ²⁰ Produkcja energii netto (3,5 W) była niższa w porównaniu z piecem z samym radiatorem (4,2 W), jednak piec chłodzony wentylatorem zużył o połowę mniej drewna opałowego: wytwarzał 3,5 W energii elektrycznej netto przy szybkości spalania 1 kg drewna na godzinę, podczas gdy piec pasywnie chłodzony potrzebował 2,5 kg drewna do wyprodukowania 4,2 wata.

Zdjęcie: Kuchenka z wymuszonym ciągiem powietrza i modułami termoelektrycznymi. [^20]

W przeprowadzonym w Malawi, 80-dniowym teście podobnej konstrukcji przenośnej, terenowej kuchenki termoelektrycznej wykazano, że technologia ta była wysoko ceniona przez użytkowników, ponieważ piece wytwarzały więcej energii elektrycznej niż było to potrzebne. W całym okresie testów produkcja energii wynosiła od 250 do 700 Wh energii elektrycznej, a zużycie energii elektrycznej od 100 do 250 Wh. ²¹

Niektóre, dostępne w handlu termoelektryczne kuchenki do gotowania chłodzone wentylatorem, często są projektowane z myślą o turystach. Przykładami są produkty firm BioLite, Termomanic i Termefor, które podają moc wyjściową od 3 do 10 W, w zależności od konstrukcji kuchenki i liczby modułów termoelektrycznych. ¹⁷

Piece Termoelektryczne ze Zbiornikami Na Wodę

Najbardziej wydajne piece termoelektryczne to takie, w których zimna strona modułu (modułów) jest chłodzona przez bezpośredni kontakt ze zbiornikiem wody. Woda ma niższy opór cieplny niż powietrze, dzięki czemu skuteczniej chłodzi. Co więcej, jej temperatura nie przekroczyć 100ºC co zmniejsza prawdopodobieństwo awarii modułu z powodu przegrzania.

Obraz: Zasada działania pieca termoelektrycznego z pasywnym chłodzeniem wodnym. [^17]

Ciepło odpadowe, powstające podczas konwersji energetycznej modułu termoelektrycznego chłodzonego wodą, nie służy do ogrzewania pomieszczeń, ale do ogrzewania wody użytkowej. Piece termoelektryczne chłodzone wodą mogą być aktywne (wyposażone w pompy) lub pasywne (bez ruchomych części). ¹⁷

Większość pieców termoelektrycznych z pasywnym chłodzeniem wodnym ma małe rozmiary i służy jedynie do podgrzewania stosunkowo niewielkich ilości wody. Z reguły, nie jest to klasyczny piec, a najczęściej garnek wyposażony w moduły termoelektryczne. Na przykład PowerPot, to dostępny w sprzedaży, turystyczny garnek do gotowania wyposażony w moduł termoelektryczny przymocowany do podstawy. Można go postawić bezpośrednio na kuchence, a wygeneruje 5-10 W mocy.

Obraz: Wielozadaniowy piec na drewno z pasywnym chłodzeniem wodą. [^22]

Znacznie większy i bardziej wszechstronny piec termoelektryczny z pasywnym chłodzeniem wodnym został zaprojektowany przez francuskich naukowców na podstawie dużego, wielofunkcyjnego pieca na drewno z Maroka. ¹⁹²²²³²⁴²⁵ Zainstalowali oni osiem modułów termoelektrycznych na dnie 30-litrowego zbiornika wody, który służył nie tylko jako radiator dla zimnej strony generatora, ale także jako źródło ciepłej wody użytkowej dla gospodarstwa domowego. Ponadto, piec wyposażono w wentylator elektryczny z własnym zasilaniem i podwójną komorę spalania podnoszącą efektywność spalania drewna.

Prototypowy piec wygenerował w teście 28 watów mocy przy użyciu dwóch modułów, spalając 1,5 kg drewna do gotowania i / lub ogrzewania. Wentylator zużywał 15 W, co oznaczało, że do pozostałych zastosowań zostało 13 W mocy. Praca pieca dostarczała 60 litrów ciepłej wody na godzinę. W zależności od tego, ile czasu zajmowało gotowanie na piecu (dwa razy dziennie), w akumulatorach zgromadzono w ciągu doby od 35 do 55 Wh energii elektrycznej. Zwróćmy uwagę na to, że badacze uwzględnili w obliczeniach straty wynikające z pracy regulatora ładowania, akumulatora 6 V i wentylatora.

Piece Termoelektryczne z Pompami

Pasywne chłodzenie wodne ma istotną wadę. Wraz ze wzrostem temperatury wody w zbiorniku różnica między zimną, a gorącą stroną modułu zmniejsza się, przez co spada sprawność pieca. Musi minąć odpowiednio dużo czasu, pomiędzy kolejnymi rozpaleniami pieca, aby woda w zbiorniku dostatecznie ostygła. Można również regularnie wymieniać ciepłą wodę (i używać ją do prac domowych) na zimną, a żeby się ciągle nie męczyć i ręcznie nie wymieniać wody, wystarczy zamontować pompę, która zrobi to za nas.

Zdjęcie: Prototyp pieca termoelektrycznego z modułami chłodzonymi wodą. [^26]

Przyjrzyjmy się teraz prototypowi pieca z 2015 roku. W tej konstrukcji pieca opalanego drewnem, służącego do gotowania i ogrzewania pomieszczeń oraz wody, umieszczono 21 modułów termoelektrycznych z aktywnym systemem chłodzeniem wodnym. Testy wykazały produkcję mocy na poziomie od 25 W (spalanie 1 kg drewna sosnowego na godzinę), przez 70 W (4 kg drewna / godzinę), do 166 W (9 kg drewna / godzinę). ²⁶ Moc wyjściowa na jeden moduł wyniosła aż 7,9 wata, co stanowi prawie dwukrotność mocy wyjściowej na jeden moduł pieca z pasywnym chłodzeniem powietrznym. Pompa zużywała 5 W. Prototyp posiadał dodatkowy wentylator (pobierający 1W) zwiększający efektywność spalania. ²⁷²⁸

Gazowe Kotły Termoelektryczne?

W obecnej infrastrukturze energetycznej społeczeństw ery przemysłowej lepiej odnajdą się generatory termoelektryczne z wymuszonym chłodzeniem wodnym, zwłaszcza w gospodarstwach domowych z systemami centralnego ogrzewania. Można zwiększyć liczbę zainstalowanych modułów, dzięki czemu wzrośnie produkcja energii elektrycznej, tak potrzebna w „wysokoenergetycznym” stylu życia. Niestety pojawiają się tutaj pewne trudności. Po pierwsze, systemy centralnego ogrzewania są używane tylko do ogrzewania pomieszczeń i wody, a nie do gotowania, co sprawia że ilość energii, którą wytwarzają zmienia się sezonowo. Po drugie, tylko niektóre systemy CO spalają biomasę lub pelet drzewny. Większość działa na gaz, olej opałowy, węgiel lub prąd.

Zdjęcie: Prototyp opalanego peletem drzewnym kotła termoelektrycznego. [^30]

Gdy źródło ciepła jest elektryczne, nie ma oczywiście sensu przyklejać do niego modułu termoelektrycznego. System termoelektryczny jest nie do pogodzenia z wizją nowoczesnego, zrównoważonego budynku, w którym ogrzewanie odbywa się za pomocą elektrycznej pompy ciepła, gotowanie odbywa się na kuchence elektrycznej, a ciepłą wodę dostarcza bojler elektryczny.

Jednakże, gdy źródłem ciepła w domu jest gaz lub olej opałowy, to kocioł termoelektryczny jest niskoemisyjnym dostawcą elektryczności, na równi z systemem fotowoltaicznym umieszczonym na dachu. ²⁹ Taki termoelektryczny system grzewczy nie uniezależni jednak gospodarstwa domowego od paliw kopalnych, podobnie jak nie uczyni tego instalacja fotowoltaiczna podłączona do sieci energetycznej. Opiera się on bowiem na centralnej sieci energetycznej (w dużej mierze zasilanej paliwami kopalnymi), aby uniknąć niedoborów energii i pozbyć się nadwyżek, a do ogrzewania pomieszczeń i wody wykorzystuje z reguły system CO zasilany paliwami kopalnymi.

Zdjęcie: Jedno kilowatowy generator termoelektryczny z wymuszonym chłodzeniem wodnym, zaprojektowany do wykorzystania niskotemperaturowego ciepła geotermalnego. [^31]

Termoelektryczny system grzewczy zasilany paliwami kopalnymi wypada korzystniej w porównaniu z dużą elektrociepłownią, która wychwytuje ciepło odpadowe z produkcji energii elektrycznej i rozprowadza je do indywidualnych gospodarstw domowych. W termoelektrycznym systemie grzewczym ciepło i moc są wytwarzane i konsumowane na miejscu. W przeciwieństwie do centralnej elektrociepłowni, nie ma potrzeby utrzymywania rozbudowanej infrastruktury dystrybucji ciepła i prądu. W ten sposób, oszczędza się zasoby i zapobiega stratom energii podczas przesyłu, które wynoszą od 10 do 20% w przypadku dystrybucji ciepła, i od 3 do 10% (lub znacznie więcej w niektórych regionach) w przypadku elektryczności.

Elektrociepłownia jest bardziej energooszczędna (25-40% sprawności konwersji) w procesie przetwarzaniu ciepła w energię elektryczną. Termoelektryczny system cieplny dostarcza znacząco więcej ciepła niż energii elektrycznej w porównaniu do elektrociepłowni. Nie jest to jednak problem ponieważ średnio, nawet w Europie, 80% zużywanej w gospodarstwach domowych energii schodzi na ogrzewanie pomieszczeń i wody.

W obu przypadkach praca może zostać odwrócona. Kiedy prąd elektryczny popłynie w module termoelektrycznym, ten będzie działał jak grzejnik albo chłodziarka. Kiedy w module fotoelektrycznym popłynie prąd to wytworzy się światło – jest to zasada działania LEDów. ↩︎
Rowe, David Michael, ed. CRC handbook of thermoelectrics. CRC press, 2018. ↩︎
Generatory termoelektryczne, The Museum of Retrotechnology, accessed May 2020. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17.5 (2014): 1260-1267. ↩︎ ↩︎
Goupil, Christophe, ed. Continuum theory and modeling of thermoelectric elements. John Wiley & Sons, 2015. ↩︎
Joffe, Abram F. “The revival of thermoelectricity.” Scientific American 199.5 (1958): 31-37. ↩︎ ↩︎
The Stirling engine, another predecessor of the solar PV panel that converts heat into electricity, lacks many of these advantages. ↩︎
Kraemer, Daniel, et al. “Concentrating solar thermoelectric generators with a peak efficiency of 7.4%.” Nature Energy 1.11 (2016): 1-8. ↩︎
Amatya, R., and R. J. Ram. “Solar thermoelectric generator for micropower applications.” Journal of electronic materials 39.9 (2010): 1735-1740. ↩︎
Gayathri, Ms D. Binu Ms R., Mr Vijay Anand Ms R. Lavanya, and Ms R. Kanmani. “Thermoelectric Power Generation Using Solar Energy.” International Journal for Scientific Research & Development, Vol. 5, Issue 03, 2017. ↩︎
Jiang, Shan, et al. “Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as the encapsulant.” Macromolecular Reaction Engineering 9.5 (2015): 522-529. ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎
Bahrami, Amin, Gabi Schierning, and Kornelius Nielsch. “Waste Recycling in Thermoelectric Materials.” Advanced Energy Materials (2020). ↩︎
Balva, Maxime, et al. “Dismantling and chemical characterization of spent Peltier thermoelectric devices for antimony, bismuth and tellurium recovery.” Environmental technology 38.7 (2017): 791-797. ↩︎ ↩︎
Jeśli chodzi o skład wagowy modułu to: 5 gramowy moduł termoelektryczny zawiera aluminium i płytki ceramiczne (44% masy), miedź na styki (28% masy), tellur (10%), bizmut (6%), antymon (2%) na „nóżki” termoelektryczne, małe ilości cyny do lutowania, selen jako wzmocnienie tellurków bizmutu i pastę sylikonową w formie spoiwa (jedyny komponent polimerowy). W modułach termoelektrycznych zwartość antymonu, telluru i bizmutu jest znacznie większą niż w rudach tych pierwiastków, więc ich recykling jest bardzo opłacalny. ¹⁵ ↩︎
Gao, H. B., et al. “Development of stove-powered thermoelectric generators: A review.” Applied Thermal Engineering 96 (2016): 297-310. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Nuwayhid, Rida Y., Alan Shihadeh, and Nesreen Ghaddar. “Development and testing of a domestic woodstove thermoelectric generator with natural convection cooling.” Energy conversion and management 46.9-10 (2005): 1631-1643. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Study of a TE (thermoelectric) generator incorporated in a multifunction wood stove.” Energy 36.3 (2011): 1518-1526. ↩︎ ↩︎
Raman, Perumal, Narasimhan K. Ram, and Ruchi Gupta. “Development, design and performance analysis of a forced draft clean combustion cookstove powered by a thermo electric generator with multi-utility options.” Energy 69 (2014): 813-825. ↩︎
O’Shaughnessy, S. M., et al. “Field trial testing of an electricity-producing portable biomass cooking stove in rural Malawi.” Energy for Sustainable development 20 (2014): 1-10. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Thermoelectric power generation from biomass cook stoves.” Energy 35.2 (2010): 935-942. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Prototype combined heater/thermoelectric power generator for remote applications.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 1888-1899. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02014177/document ↩︎
Champier, Daniel. “Thermoelectric generators: A review of applications.” Energy Conversion and Management 140 (2017): 167-181. ↩︎
Favarel, Camille, et al. “Thermoelectricity-A Promising Complementarity with Efficient Stoves in Off-grid-areas.” Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems 3.3 (2015): 256-268. ↩︎
Goudarzi, A. M., et al. “Integration of thermoelectric generators and wood stove to produce heat, hot water, and electrical power.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 2127-2133. ↩︎
Badacze podają możliwy sposób na wyeliminowanie pompy z systemu: zbiornik wodny można umieścić na wysokości 1 metra, co zapewni przepływ konwekcyjny gorącej wody, która zostanie zmagazynowana w izolowanym termicznie zbiorniku, a do chłodzenia modułu w jej miejsce napłynie zimna woda. ↩︎
Kolejny prototyp wygenerował średnio 27 W mocy tylko z dwóch modułów, znacznie więcej niż potrzeba było do zasilenia pompy wodnej (8 W). Produkcja energii netto wyniosła 9,5 W na moduł. Montecucco, Andrea, Jonathan Siviter, and Andrew R. Knox. “A combined heat and power system for solid-fuel stoves using thermoelectric generators.” Energy Procedia 75 (2015): 597-602. ↩︎
W rzeczywistości, pierwsze eksperymentalne wykorzystanie systemów ogrzewania termoelektrycznego datuje się na rok 1990, i miało ono na celu opracowanie samo-zasilających się kotłów gazowych. Systemy CO pobierają z sieci średnio 250-400 W elektryczności do zasilania elementów systemu tj. wentylatorów, pomp, nagrzewnic i paneli sterowania. Dokładając do systemu moduły termoelektryczne, zachowuje on możliwości działania nawet w sytuacji długich przerw w dostawie prądu. Jeśli podłączyć taki system do sieciowej fotowoltaiki to jego działanie uzależnia się od obecności słońca na niebie. Allen, D. T., and W. Ch Mallon. “Further development of” self-powered boilers"." Eighteenth International Conference on Thermoelectrics. Proceedings, ICT'99 (Cat. No. 99TH8407). IEEE, 1999. Allen, Daniel T., and Jerzy Wonsowski. “Thermoelectric self-powered hydronic heating demonstration.” XVI ICT'97. Proceedings ICT'97. 16th International Conference on Thermoelectrics (Cat. No. 97TH8291). IEEE, 1997. ↩︎