Гравитационный светильник: принцип работы, расчет энергии и варианты генераторов
Идея гравитационного светильника основана на механизме старинных часов: опускающийся груз через систему привода вращает генератор, питающий светодиод. В статье рассмотрены физические расчеты запасаемой энергии, варианты подбора компонентов генератора и практическая применимость такой системы автономного освещения.
Принцип работы механизма
Конструкция гравитационного светильника включает в себя подвешенный груз (гирю), тросик, генератор и светодиод. В качестве накопителя энергии может использоваться как гравитационный потенциал поднятого груза, так и механическая пружина по аналогии с механическими часами или будильниками.
Существуют и готовые технические реализации данной идеи, такие как устройство GravityLight, созданное на краудфандинговой платформе. В готовом решении длительность свечения на одном цикле опускания груза составляет около 25 минут.
Физические расчеты и энергоемкость
Теоретический расчет доступной энергии базируется на стандартной формуле работы силы:
$$A = F \times s = m \times g \times h$$
При опускании груза массой 10 кг на высоту 1 метр (h = 1 м) механическая работа составляет около 100 Дж (что эквивалентно 100 Вт·с). В зависимости от скорости спуска этого груза меняется доступная электрическая мощность:
- Спуск за 1 секунду — эквивалент мощности для лампы накаливания;
- Спуск за 10 секунд — эквивалент питания автомобильной фары;
- Спуск за 1 минуту — питание мощного светодиода из прожектора;
- Спуск за 10 минут — питание слабой дежурной подсветки;
- Спуск за 1 час — мощности хватит лишь на несколько светодиодов из елочной гирлянды.
Практическая полезность системы напрямую зависит от соотношения веса, высоты подвеса и КПД генератора: если для работы одного слабого светодиода приходится поднимать груз весом 16 кг на высоту 2 метра каждые 5 минут, конструкция становится неэффективной.
Подбор генератора и узлов для сборки
При самостоятельном конструировании системы стандартные велогенераторы (бутылочные «динамки») и генераторы от ручных фонарей малопригодны из-за специфических требований к оборотам и усилию.
В качестве базы для самодельных генераторов рассматриваются следующие варианты:
- Переделка электродвигателя шуруповерта;
- Автомобильный электромагнитный соленоид;
- Двигатель привода стеклоочистителей (дворников);
- Самодельный генератор на неодимовых магнитах. Для компактных моделей используют небольшие магниты-диски, тогда как для более мощных установок требуются магниты большего типоразмера (например, диски 40х10 мм в количестве от 8 штук).