Alternatieve oplaadmanieren voor smart-technologie



  • Beste student,

    Wij doen ons profielwerkstuk over de moderne smart-technologie, het grote probleem in deze technologie is dat de batterij van korte levensduur is. Doordat niet overal de mogelijkheid is om je telefoon op te laden leidt dit tot grote ergernis. Wij doen onderzoek naar alternatieve oplaadmanieren voor smartphones en wij zouden graag meer informatie willen over de mogelijkheden van de alternatieven, met daarbij de vraag of we in samenwerking met de TU van minstens één van de alternatieven (of met een combinatie van verschillende alternatieven) een prototype zouden kunnen maken.

    Uit literatuuronderzoek hebben wij de volgende alternatieve stroomopwekkingsmethoden kunnen vinden:

    - Het thermo-elektrisch effect
    [i]Wij geloven dat er een materiaal gebruikt kan worden dat de temperatuursverschillen tussen beeldscherm-vinger kunnen worden omgezet in elektriciteit, waardoor dus stroom kan worden opgewerkt. Hierdoor zou de levensduur van de batterij kunnen worden verlengd[/i]

    - Inductie
    [i]Door beweging van een magneet door een spoel ontstaat stroom die als voorziening voor de telefoon kan dienen. Deze magneet kan bewegen door middel van beweging van de gebruikers (tijdens het lopen bijvoorbeeld) en kan wellicht in de telefoon verwerkt worden. Indien dit niet mogelijk is kan de magneet met de spoel bij de gebruiker in (bijvoorbeeld) een rugzak / broekzak verwerkt worden zodat deze met een kabel de stroom naar de telefoon kan leiden.[/i]

    - Zonne-energie
    [i]Zonnecellen kunnen aangebracht worden op de voorkant van de telefoon (aan de kant van het scherm), deze kunnen door middel van de zonne-energie de levensduur van de batterij verlengen. Dit spreekt voor zich.[/i]

    - Piëzo-elektrisch effect
    [quote]''Piëzo-elektrische materialen zijn materialen die onder bepaalde vormen van druk een elektrische spanning kunnen opleveren. (...) Door velen minuscule deeltjes, met de grootte van een paar nanometer, te laten trillen zou je , er vanuit gaande dat de theorie en de resultaten van het onderzoek van Cagin kloppen, energie kunnen opwekken. Denk bij deze deeltjes voor het gemak aan hele dunne haartjes (100.000 maal zo klein als een mensenhaar). Met deze energie zou een apparaat zichzelf langzaam kunnen opladen. Hoe zou je deze minuscule haartjes dan kunnen laten trillen? Deze minuscule haartjes zou je kunnen laten trillen door de geluidsgolven die worden geproduceerd wanneer je praat. Op deze manier laad je je mobiele telefoon dus op door te bellen.'' Bron

    Belangrijk zijn uiteraard het rendement en de kosten van de materialen wanneer dit op grote schaal toegepast wordt. Het gaat er uiteindelijk niet alleen om of de alternatieve manieren efficiënter zijn dan de huidige manieren van opladen, maar of de manieren ook op grote schaal gerealiseerd kunnen worden in de praktijk.

    Wij hopen hiermee voldoende informatie gegeven te hebben en we hopen spoedig een reactie te mogen ontvangen.

    Groetjes,

    Wytze en Jules
    Mill-Hillcollege Goirle
    Contact: [email]WvanKempen@leerling.mill-hillcollege.nl[/email]



  • Hi Wytze en Jules,

    Een universeel probleem, interessant onderwerp voor je PWS. Ik begrijp uit de vraag dat jullie een prototype willen bouwen. Wat bedoelen jullie precies met 'in samenwerking met de TU Delft'?

    Groet,



  • Caspar,

    Daarmee bedoelen wij dat er misschien een student nodig is die wat meer verstand heeft van smart-technologie (en dat we wellicht naar de TU Delft zouden kunnen komen)



  • Caspar,

    Wij zouden daar, na het maken en het voorleggen van een uitgebreid plan, graag een soort prototype willen maken van zo'n alternatieve oplader. Stel dat wij een prototype zouden maken die berust op het thermo-elektrisch effect, dan zouden wij misschien hulp nodig hebben van een student die precies weet hoe je dergelijke schakels van een kabel veilig met elkaar kunt verbinden, ook zijn wij niet heel bekend met onderdelen als 'condensatoren' (om maar als voorbeeld te noemen).



  • Ha Jongens,

    Sorry voor de late reactie. Ik ben een tijdje op vakantie geweest.
    Dat zou misschien wel kunnen, maar dat ligt helemaal aan wat jullie precies verwachten van de TU Delft.
    Wij helpen graag enthousiaste leerlingen bij het maken van stappen in hun PWS die zonder ons niet mogelijk zouden zijn. Het blijft echter wel het profielwerkstuk van de leerlingen en eventuele begeleiding zal zich dus beperken tot het uitvoeren van een door de leerlingen bedacht plan.
    Wat zouden jullie precies willen doen op de TU Delft en bij welke stappen hebben jullie onze hulp nodig?

    Groet,

    Caspar Boers



  • Beste Caspar,

    Zoals je weet doen wij ons onderzoek over het opladen van smart-technologie op alternatieve manieren, wij hebben ons literatuuronderzoek grotendeels afgerond en hebben onze kennis over de huidige smart-technologie en de alternatieve manieren verbreed. De alternatieve manieren die berusten op nano-technologie lijken ons niet verstandig (en niet mogelijk in verband met kosten) om te realiseren, daarom zouden wij graag een extern apparaat willen ontwikkelen dat stroom op wekt aan de hand van inductie. Hiervoor hebben wij het volgende ontwerpvoorstel opgebouwd:

    [i]Om zo veel mogelijk kosten te besparen stellen wij voor de alternatieve manier Inductie te realiseren met behulp van een spoel en een magneet. Deze manier van alternatief opladen is het gemakkelijkst te realiseren en zal relatief de minste kosten met zich meebrengen, hierdoor zal het product waarschijnlijk voldoen aan de eis dat het ‘maximaal 10% van de kostprijs van het artikel waar het op gebruikt wordt’ mag zijn. [/i]

    [i]De spoel en de magneet gezamenlijk mogen niet langer en breder zijn dan 18 x 12 cm, over de hoogte kan altijd overlegd worden. Doordat de windingen van de spoel vanwege de maximale grootte van het externe apparaat klein zullen zijn, zullen er meer windingen nodig zijn om een hogere inductiespanning op te wekken. De samenstelling van de spoel en de magneet willen wij koppelen aan een USB-poort die, door middel van een USB-naar-micro kabel, met onze smartphones gekoppeld kan worden. Om deze samenstelling van de spoel en de magneet te koppelen aan de USB-poort, zullen aan het uiteindes van de spoel draden bevestigd moeten worden (solderen?) die uiteindelijk in contact worden gebracht met de USB-poort, wellicht door middel van een USB-connector: deze kan bestaan uit een bus met een USB-ingang eraan of een complete printplaat met een USB ingang erop. Om de veiligheid te kunnen garanderen willen wij om het gehele apparaat een behuizing van polyetheen omheen maken met een opening voor de USB-ingang, deze keus kunnen wij onderbouwen met een aantal argumenten:[/i]

    [i]o Polyetheen geleidt niet, het heeft een hoge elektriciteitsweerstand en het wordt daarom ook vaak gebruikt als isolator.
    o Polyetheen is duurzaam, de grondstoffen voor polyetheen kunnen verkregen worden uit plantaardig materiaal.
    o Polyetheen is waterbestendig, polyetheen neemt nagenoeg geen water op[/i]

    [i]Daarnaast zouden wij aan de behuizing een clip willen monteren zodat het externe apparaat bevestigd zou kunnen worden aan de kleding. [/i]

    Groeten,

    Wytze en Jules



  • Als ik het goed begrijp hebben jullie eigenlijk behoefte aan begeleiding van een 'expert'. Zelf weet ik wel wat van het bovenstaande, maar ik denk dat ik jullie niet met het volledige project zou kunnen helpen. Dit betekent dat ik hulp van technici van de faculteit natuurkunde zou moeten vragen. Zij hebben natuurlijk ook een heleboel andere dingen te doen, dus voordat zij zich zullen vastleggen willen ze wel precies weten wat het plan is. Als jullie mij wat specifiekere informatie kunnen geven aan de hand van dit document dan kan ik gericht op zoek gaan naar iemand die jullie zou kunnen helpen.

    Groet,

    Caspar Boers



  • Hey Wytze & Jules,

    Goed om weer van jullie te horen! Uit jullie verhaal begrijp ik alleen nog niet welke van deze stappen jullie al gedaan hebben of zelf willen gaan doen en bij welke stappen jullie begeleiding nodig hebben en waarom jullie bij die stappen vastlopen.

    Groet,

    Caspar Boers



  • Beste Caspar,

    In het literatuuronderzoek zijn wij ver gevorderd, wij lopen vast bij het maken van een alternatieve oplader en zouden graag onder begeleiding van studenten een alternatieve oplader (met als rode draad: inductie) willen maken.



  • Hey Wytze en Jules,

    Goed dat jullie literatuuronderzoek al bijna klaar is. Wij willen graag helpen bij jullie praktisch deel, maar aangezien wij ook maar een beperkt aantal manuren hebben en er veel verzoeken zijn, proberen we jullie zo te helpen dat jullie zoveel mogelijk al zelf kunnen doen.

    Allereerst zullen jullie moeten formuleren hoeveel energie je wil opwekken
    Met andere woorden: als jullie als een Robinson Crusoe met een lege smartphone op een onbewoond eiland zitten, Hoeveel mini telefoongesprekken ze met de door hen opgewekte energie willen gaan voeren.
    Om een idee te krijgen wat een USB charger doet, kun je beginnen op Google "USB minicharger schematics, afbeeldingen" in te typen
    Je ziet dan dat er 5 volt gelijkspanning moet worden opgewekt
    Het aantal milliampères en de duur bepaalt dan hoe lang je op die lading kunt bellen.
    Het opwekken met inductie lijkt inderdaad de meest voor de hand liggende optie.
    Je krijgt dan wisselspanning beschikbaar
    Die moet je gelijkrichten tot een gelijkspanning en daarna begrenzen met wat elektronica tot 5 volt

    Als je de opwekking met magneten en spoelen overweegt bedenk dan steeds het volgende:
    Magnetische veldlijnen haten lucht
    Magnetische veldlijnen lopen ongeveer 1000 keer zo goed door ijzerhoudende materialen dan door lucht
    In een officiële dynamo is dat goed verzorgd. Het inwendige magnetische circuit is zo ontworpen dat de magnetische veldlijnen vrijwel geheel door ijzerhoudend materiaal lopen en slechts een uiterst dunne luchtspleet over hoeven steken
    Het is de vraag of je als amateur dergelijke resultaten kunt bereiken, laat staan overtreffen
    Er zijn gelijkstroom motortjes van hoge kwaliteit die als gelijkstroomdynamo kunnen worden toegepast
    De gelijkrichting is dan al gebeurd

    Als je stappenmotoren als dynamo toepast krijg je wisselspanning
    Als je die gelijk richt, gebruik dan diodes met een lage diode stapspanning, in casu Schottky diodes, anders verlies je met dat gelijkrichten al een deel van de zojuist opgewekte spanning

    Een dynamo zet idealiter een mechanisch vermogen (moment maal hoeksnelheid) in de vorm van M x omega om in een elektrisch vermogen bestaande uit spanning maal stroom
    Hoe beter de kwaliteit van de opwekker des te minder verliezen

    De vormgeving over hoe je (lichaamskracht maal weg) vertaalt in (M x omega) en dan dat weer in een op 5 volt gestabiliseerde spanning maal een zekere stroom is jullie uitdaging

    Ik hoor wel hoe het verder gaat met jullie project!

    Groet,

    Caspar Boers



  • Beste Caspar,

    We hebben jouw reactie uitgewerkt en hebben aan de hand daarvan gebrainstormd. Wij hebben schetsen gemaakt met ons idee en wij willen blijven bij de opwekking van stroom door middel van magneten en spoelen. Ons idee is om een apparaatje te maken dat onderaan de telefoon bevestigd kan worden, dit apparaatje heeft dan ook een micro-aansluiting aan de bovenkant. Het apparaatje heeft binnenin een spoel met daarin een magneet. De magneet is door middel van een niet-aantrekkende veer verbonden aan de bovenste 4 & onderste 4 hoeken van de spoel. De magneet kan dan door beweging continu blijven bewegen en wekt ook stroom op die dan rechtstreeks naar de telefoon gestuurd kan worden.

    Wij zouden dit graag zo snel mogelijk willen komen uitwerken op de TU,
    Wat zijn de mogelijkheden qua manuren en materialen die beschikbaar zijn op de TU?
    Wat verwacht je van ons dat we nog zelf doen vóór deze afspraak?

    Wij hopen spoedig een reactie te mogen ontvangen,

    Groetjes,

    Jules en Wytze



  • Hi Jules en Wytze,

    Ik heb even overlegd op het Science Centre met onze elektro expert, Erwin van Asbeck. Hij zou jullie eventueel kunnen helpen. Hieronder een lang bericht met een aantal ideeën die wij voor jullie bedacht hebben. Jullie moeten daarna maar aangeven of jullie graag langs willen komen voor wat hulp.

    "Een elektrische generator is de tegenhanger van een elektrische motor
    Dus als een motor efficiënt is in het omzetten van een elektrisch vermogen U x I naar een mechanisch vermogen M x ω dan is dezelfde constructie ook efficiënt in het omgekeerde geval
    U is spanning in volt, I is stroom in ampère, M is moment in newton meter, ω is hoeksnelheid in radialen per seconde

    Er bestaan motortjes van de firma Maxon (zie hun site) met een rendement van meer dan 90%
    Je kunt gratis hun catalogus aanvragen met talloze nuttige gegevens
    Arbeid is Kracht x Weg x cos (φ) waarbij φ de hoek is tussen kracht en weg
    Dus als φ = 0° dan is cos(φ) = 1 Dus dan is arbeid simpelweg kracht x weg
    Maar als φ = 90° dan is cos(φ) = 0 Dus dan is de arbeid ook nul
    Als je door je lichaamsbeweging een massa m op en neer laat schudden tegen de kracht van een veer in dan heb je in wezen een massa-veer-demper systeem gebouwd met een demper die een demping nul heeft
    Zo’n systeem blijft eeuwig schudden als het eenmaal aangestoten is
    De demping wordt meestal veroorzaakt door wrijving. In dat geval wordt er per heen en weer gaande beweging energie uit het systeem onttrokken en in warmte omgezet
    Het schudden dempt dan geleidelijk uit
    Ook kan energie aan het systeem onttrokken worden door een magneet in een spoel heen en weer te laten schudden
    In dat geval wordt de onttrokken energie niet in warmte omgezet maar in elektriciteit wat in jullie geval bedoeling is
    Voor een magnetisch circuit geldt B = μ0 μr H
    B is magnetische inductie in tesla, μ0 is magnetische permeabiliteit van het vacuüm is 4π. 10-7 newton per ampère2, μr is relatieve permeabiliteit van het ijzerhoudende materiaal 1000 tot 20 000, H is magnetische veldsterkte in ampère per meter
    Voor lucht geldt μr = 1 daaruit volgt dat magnetische veldlijnen ca. duizend maal zo goed door ijzerhoudend materiaal gaan als door lucht
    Daarom moet een magnetisch circuit zo dun mogelijke luchtspleten bevatten, net genoeg om aanlopen door uitzetting of lagerspeling te voorkomen
    Goede kwaliteit elektromotortjes zijn van fabriekswege al voorzien van de dunste luchtspleet die technisch voor die prijs mogelijk is. Zelf doe je dat met amateurlijke middelen niet na!
    Magnetische veldlijnen gedragen zich als elastiekjes: ze willen zo kort mogelijk zijn
    Als een elektromotor zijn stroom op de lamellen van de collector van de rotor krijgt zijn de op dat moment heersende veldlijnen lang en lopen over de oppervlakte van de rotor door de dunne luchtspleet tussen rotor en stator. Ze willen korter worden en oefenen zo een moment op de rotor uit totdat de veldlijnen zo kort mogelijk zijn en dan recht oversteken van stator naar rotor
    Dan zijn weer een paar andere lamellen van de collector aan de beurt en zijn de veldlijnen opnieuw weer lang en het spel herhaalt zich
    Als je de motor als generator gebruikt dan moet JIJ het moment leveren waarmee de veldlijnen uitgerekt worden
    De hoogte van de inductiespanning die je opwekt wordt bepaald door de snelheid waarmee dit uitrekken gebeurt evenals het aantal wikkelingen in de rotor dat aan het proces deelneemt
    Nu heeft een USB aansluiting 5 volt nodig
    Dat vereist een minimum hoeksnelheid ω bij een gegeven configuratie motor/generator
    Het is meestal zo dat je een iets hogere spanning opwekt en dan een spanningsstabilisator IC met low drop voltage ertussen zet om aan de uitgang daarvan een gestabiliseerde spanning van 5 volt te hebben
    Dus je moet tenminste 7 volt opwekken
    Ik heb een Maxon hoog kwaliteitsmotortje ω = 80 rad/s moeten laten draaien om 7 volt op te wekken
    Je zou voor je profiel werkstuk een een male en een female USB stekkerdeel kunnen kopen om een open verlengsnoertje voor USB in elkaar te solderen waarbij je een ampère-/milliampèremeter tussen kunt schakelen om eens precies te registreren hoeveel stroom het oplaadproces van de smartphone kost, in het begin en later. In de situatie dat de accu helemaal leeg is of nog een beetje gevuld. Of hoeveel lager je de stroom straffeloos kan maken met weerstanden waarbij hij nog steeds oplaadt. Of hoeveel lading er nog net in moet om een laatste gesprekje met thuis te kunnen maken etc. etc. etc.
    Dat geeft een indruk hoeveel inspanning je moet leveren
    Zie ook:
    JY532 3-LED White Rope-Pulling Powered Emergency Torch -- Silver Plus Blue Plus Grey (Torches - Dynamo Category) - $38.95 : Gadgets Direct - Australias Largest Gadget Store with Free Shipping on Everything
    Hier worden drie witte leds à 3 volt 15 mA 600 s Dat is 81 J aangedreven door 60 s te trekken = ca 1,35 watt
    Dit is waarschijnlijk veel te laag voor een smartphone
    Je zou je licht eens kunnen opsteken bij de firma Ritel in Delft bij de heer Özbek over wat het verbruik van smartphones is in verschillende omstandigheden
    Het heen en weer schudden gebeurt hoogstens met 3 hertz
    De wisselspanning die je zo opwekt is ook drie hertz tenzij je heel veel meer polen gebruikt
    Het optransformeren van zulke lage frequenties vereist zware transformatoren
    Het is zaak op een of andere manier een zo hoog mogelijke frequentie te maken
    Dat kan door een rotor met heel veel polen; bijvoorbeeld een stappenmotor uit een hel e ouderwetse diskdrive (200 polen)
    Als je de wisselspanning eenmaal voldoende omhoog getransformeerd hebt kun je die vervolgens gelijkrichten. Doe dat dan met Schottky diodes. Die hebben een lage diodestapspanning in de doorlaatrichting Die stapspanningen moet je immers ook nog eens opwekken
    Het is ook mogelijk een te lage gelijkspanning of laagfrequente wisselspanning met een oscillator en veldeffecttransistoren op 40.000 Hz in stukken te hakken. Dat vervolgens door een piepklein transformatortje of spoeltje op te laten peppen tot een hogere spanning en die dan weer gelijkrichten. Dit alles gaat gepaard met warmteverliezen
    Een gelijkstroommotortje heeft door zijn borstels die op de lamellen van de collector lopen eigenlijk zijn gelijkrichter al aan boord en dat zonder diodestapspanning! Dat is voordelig
    Omdat omhoog transformeren van een gelijkspanning niet gaat zonder deze tijdelijk in een wisselspanning om te zetten, is het verstandig meteen al een gelijkspanning op te wekken die van zich zelf hoog genoeg is
    Kom maar eens in Delft langs, dan kan ik jullie de nodige proeven laten doen."

    Groet,

    Caspar Boers



  • Beste Caspar,

    Het lijkt ons een goed idee om het massa-veer-demper systeem te komen uitwerken, waarbij we dan een magneet door een spoel laten schudden die energie aan het systeem onttrekt die omgezet wordt in elektriciteit in plaats van warmte, verdere uitleg van het idee lijkt me niet nodig omdat jij het hier boven uitgebreid hebt geplaatst.

    Wij zouden dit graag zo snel mogelijk willen komen uitwerken, is er op 15 december tijd om dit te doen?

    Groet,

    Wytze en Jules



  • Hi Wytze en Jules,

    Lijkt me een prima idee als jullie langs komen. Helaas heb ik zelf komende week geen tijd meer. Erwin van Asbeck heeft het grootste deel van de tips die ik jullie heb gegeven weer aan mij gegeven. Kortom hij weet veel meer van dit onderwerp en hij heeft deze week ook tijd. Morgen (vandaag) zou kunnen, maar ik begrijp dat dit nu misschien een beetje kortdag is. Ik zal je zijn contactgegevens sturen in een privé mail. Nemen jullie dan met hem contact op om deze week een afspraak te maken?

    Groet,

    Caspar Boers


Aanmelden om te reageren
 

Het lijkt erop dat je verbinding naar Forum verloren is gegaan, wacht even terwijl we de verbinding proberen te herstellen.