Проекты

Солнечный чехол для зарядки смартфона (Solar Case)

Работа победителей конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Энергия будущего. Цифровая энергетика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 2045
Предметы: Физика, Прототипирование, Электротехника, Трёхмерное моделирование
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

В современном мире, исходя из различных мировых тенденций, имеется необходимость в автономном заряде мобильных устройств. Целесообразность и эффективность подобных зарядных устройств особенно заметна в регионах с большим приходом солнечного излучения. При использовании подобного рода зарядного устройства в защитном чехле самого мобильного устройства (смартфона) возможно совместить две функции чехла – защитную и электрогенерирующую, а также одновременно обеспечить компактность и защиту самого солнечного модуля, с помощью которого осуществляется автономный заряд аккумулятора мобильного устройства в удалении от электрических сетей.

Цель

Разработать и изготовить зарядное устройство, работающее на принципе преобразования солнечного излучения в электроэнергию и представляющее собой защитный чехол гаджета (смартфона).

Задачи

  1. Изучить устройство, принцип работы солнечного модуля и возможность его применения в прототипе.
  2. Изучить систему автоматизированного проектирования Компас 3D.
  3. Изучить программу-слайсер Creality Slicer 3D-принтера Creality Ender 3 Pro.
  4. Создать трёхмерную модель прототипа устройства.
  5. Изучить технологии послойного наплавления полимерного материала с целью создания твердотельного прототипа с помощью 3D-принтера.
  6. Изготовить корпус разрабатываемого устройства с помощью послойного наплавления термопластика.
  7. Собрать компоненты устройства в разработанный прототип.
  8. Описать конструкцию и принцип работы разработанного прототипа «Cолнечный чехол для зарядки смартфона».
     

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

· Кремниевые монокристаллические фотоэлектрические преобразователи

· Комплект соединительных проводов и шин

· Разъём питания USB

· Клей-герметик

· 3D-принтер Creality Ender 3 Pro

· Программное обеспечение: Компас 3D, Creality Slicer 3D

Описание

Принцип работы разрабатываемого устройства состоит в следующем. Электрический ток вырабатывается с помощью фотоэффекта, происходящего внутри солнечных модулей, которые вмонтированы в корпус-чехол прототипа. В солнечных модулях в слое кремния с добавками фосфора возникают свободные электроны, а в слое кремния с добавками бора отсутствуют электроны. При попадании кванта света на солнечные модули в них начинается движение частиц из одного слоя в другой, то есть возникает электрический ток. При направленном солнечном излучении электричество образуется в каждой точке кремниевой пластины. Для того чтобы вывести электрический ток с пластины, нужны каналы, по которым будет проходить электричество. По этим каналам-проводникам ток перетекает к аккумулятору смартфона, после чего и происходит зарядка устройства автономным способом. Электропитание встроенного в смартфон аккумулятора происходит с помощью солнечных модулей через соединительные провода, разъём USB (в зависимости от модели устройства) и микроэлектронику (опционально).

На первом этапе разработки в САПР Компас 3D авторами был спроектирован корпус прототипа и впоследствии изготовлен на 3D-принтере Creality Ender 3 Pro с помощью послойного построения расплавленным полимерным материалом в виде пластика PLA.

Далее была собрана солнечная батарея. Солнечная батарея состоит из двух солнечных модулей, которые, в свою очередь, состоят из десяти кремниевых монокристаллических фотоэлектрических преобразователей каждый. Фотоэлектрические преобразователи в модуле соединены последовательно, а солнечные модули в батарее – параллельно. Герметизация фотоэлектрических преобразователей происходила с помощью отверждаемого герметика специального назначения SYLGAR 184 на твёрдой подложке с токовыводящими контактами.

Затем изготовленная солнечная батарея была установлена в специально отведённое свободное пространство чехла-бампера. Коммутация солнечных модулей между собой в батарее происходит медными проводами с небольшим сечением или лужёными токосъёмными шинами, на конце которых установлен разъём для питания гаджета (например, USB).

Когда смартфон находится в защитном чехле, в который вмонтированы солнечные модули, с помощью разъёма USB происходит заряд аккумулятора, встроенного в смартфон (при попадании солнечных лучей на солнечные модули).

Результаты работы/выводы

В результате проделанной работы авторами разработан и изготовлен прототип устройства «Солнечный чехол для зарядки смартфона», который обеспечивает защитную функцию смартфона, а также его электропитание при попадании солнечных лучей на поверхность солнечных модулей чехла. Благодаря разработанному прототипу появляется возможность автономного заряда гаджетов (смартфонов) в полевых условиях, причём скорость заряда (и, соответственно, мощность солнечных модулей), а также объём запасаемой электрической энергии можно увеличивать в зависимости от потребностей пользователя.

Перспективы использования результатов работы

Разработанный и изготовленный прототип позволяет пользователям, находящимся в удалении от электрических сетей, производить автономный заряд смартфона, сохраняя при этом защитную функцию чехла смартфона.

В дальнейшем планируется проведение испытаний усовершенствованного прототипа с дополнительными солнечными модулями, буферным аккумулятором и микроэлектроникой, установленными с целью увеличения выходной электрической мощности, скорости заряда аккумулятора и количества запасаемой электрической энергии. Также авторы готовят заявку на выдачу патента Российской Федерации на изобретение.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

РУТ (МИИТ), ФГБНУ ФНАЦ ВИМ