Prądnica survivalowa RIL – Radio Ignis Lux

Pomysł, nazwa i zastosowania

Idea zbudowania własnej prądnicy powstała podczas jednego z wyjazdów klasowych na szkolny obóz do Boszkowa, gdy późnym wieczorem graliśmy w namiocie w karty. O 22.00 zgaszono nam światło. Mimo że była to zbyt wczesna pora na sen, bez oświetlenia (telefony na noc oddawaliśmy) nie mogliśmy kontynuować gry, a więc tym razem odpuściliśmy. Jednak niezwłocznie po powrocie z wypoczynku zaczęliśmy pracę nad naszym nowym projektem, by już nigdy nie dopuścić do takiej sytuacji.

RIL to połączenie trzech słów: Radio, Ignis (łac. ogień) oraz Lux (łac. światło). Słowa te idealnie oddają zastosowania naszego urządzenia, które po podłączeniu odpowiednich modułów pełni rolę radia, zapalniczki, latarki, a może być także przenośną, niskonapięciową i niskoprądową ładowarką. RIL wraz z wszystkimi modułami widać na fotografii powyżej.

Analiza oraz cel powstania RIL

Pracę rozpoczęliśmy od analizy istniejących rozwiązań służących do pozyskiwania i magazynowania energii w warunkach terenowych i awaryjnych. Szybko dostrzegliśmy, że większość dostępnych urządzeń – choć nowoczesna – była ograniczona pod względem mobilności (waga), zakresu zastosowań (jedno sprecyzowane zadanie) lub ich naprawa była trudna w warunkach polowych. W odpowiedzi na te braki powstał nasz projekt RIL. Urządzenie zaprojektowano tak, aby zapewniało użytkownikowi niezależność energetyczną, miało wiele zastosowań oraz można je było łatwo przenosić i serwisować w terenie.

W odróżnieniu od hybrydowych harvesterów czy specjalistycznych rowerów elektrycznych, RIL oferuje pełną niezależność od warunków i sposobu pracy – działa zarówno manualnie, jak i w oparciu o energię słoneczną, co czyni go wszechstronnym narzędziem dla podróżników, ratowników czy pasjonatów survivalu. Wykorzystaliśmy biodegradowalne materiały, a niemal każdy użyty przez nas komponent ma niskie zużycie energii i pochodzi z recyklingu, więc zarówno pod względem konstrukcji, jak i użytkowania RIL-a, jest to projekt przyjazny środowisku oraz niemal zeroemisyjny.

Obudowa oraz kwestie mechaniczne projektu

Cała obudowa składa się z 3 elementów: głównego korpusu, frontu i zamknięcia. Wizualizacje naszej pierwszej wersji korpusu prądnicy można zobaczyć na rysunku 1.

Rysunek 1. Pierwsze wizualizacje korpusu i frontu prądnicy

Obudowa prądnicy została wykonana w technologii druku 3D z filamentu PLA. Jest to łatwy w druku, biodegradowalny materiał termoplastyczny. Kolor obudowy nie jest przypadkowy – zastosowaliśmy jasny filament, aby dobrze odbijał i rozpraszał promienie słoneczne, dzięki czemu prądnica nagrzewa się o wiele mniej, niż gdyby obudowa była w kolorze czarnym lub granatowym.

W boczne ściany, w specjalnie wykonane otwory, zostały wprasowane dwa jednorzędowe łożyska kulkowe metodą na wcisk (bez użycia kleju). Na pierścieniu wewnętrznym łożyska został wbity wałek ∅ 8 mm. Na końcach wału zostały zamontowane zębatki typu GT2 T60 (60 zębów), natomiast na wałkach generatorów (silników BLDC) – zębatki GT2 T20. Na jednym z końców wałka zamontowano korbkę z ramieniem i bolcem wykonanym na śrubie M5×40 z nakrętką i zabezpieczoną klejem do gwintów. Po połączeniu tych elementów paskiem zębatym uzyskaliśmy przekładnię 3:1, co dało bardzo korzystny efekt – jeden obrót wałka przekłada się na 3 obroty silników. Takie rozwiązanie zapewnia użytkownikowi optymalny komfort pracy.

Elektronika

Schemat elektroniczny prądnicy zaprezentowano na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat elektryczny prądnicy

Sercem naszej prądnicy są dwa niezawodne silniki BLDC (bezszczotkowe silniki prądu stałego). Są to trójfazowe napędy, które charakteryzują się znacznie wyższą sprawnością w porównaniu do silników jednofazowych. Dzięki zastosowaniu dwóch silników, układ zyskuje redundancję – w przypadku awarii jednego z nich nadal dysponujemy niezależnym źródłem energii. Dodatkowo prądnica jest wspomagana przez ogniwa fotowoltaiczne (PV), co zwiększa jej niezawodność i umożliwia generowanie energii w różnych warunkach operacyjnych.

Energia elektryczna generowana przez silniki BLDC jest wytwarzana w postaci prądu przemiennego (AC). Aby móc ją efektywnie wykorzystać w układzie, jest ona prostowana przy pomocy dwóch trójfazowych mostków diodowych. W celu minimalizacji strat zastosowano diody germanowe, które cechują się bardzo niskim spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia. Dzięki temu możliwe jest maksymalne wykorzystanie dostępnej energii. Elementy prądnicy, a szczególnie diody, widać na fotografii 1.

Fotografia 1. Zdjęcie prądnicy z widocznymi diodami germanowymi

Po wyprostowaniu, napięcie kierowane jest do modułu magazynowania energii, w którym zastosowano superkondensatory firmy Vishay. Są to kondensatory charakteryzujące się ultraniską rezystancją wewnętrzną oraz możliwością dostarczania wysokiego prądu w krótkim czasie. Ich użycie pozwala na szybkie i efektywne gromadzenie energii, co znacząco poprawia stabilność pracy całego układu. Energia zgromadzona w superkondensatorach może być pobierana na dwa sposoby:

1. Bezpośrednie zasilanie z gniazd DC JACK – umożliwia bezpośrednie zastosowanie zgromadzonej energii do zasilania urządzeń zewnętrznych. Wyjście to pozwala na wykorzystanie całkowitego lub połowicznego napięcia zgromadzonego w banku kondensatorów – odczepy widać na schemacie układu (rysunek 2).
2. Zastosowanie przetwornicy impulsowej step-up DC/DC – pozwala na regulowanie i stabilizowanie wyjściowych parametrów. Dodatkowe źródło prądowe także bazuje na tranzystorach germanowych, co zwiększa jego efektywność oraz pozwala na precyzyjne dostosowanie parametrów do wymagań odbiorników energii.

Zastosowanie regulatora zapewnia możliwość dynamicznej kontroli mocy wyjściowej, co zwiększa efektywność całego układu. Skończony projekt z wszystkimi elementami znajduje się na fotografii 2. Szczególnie dobrze widoczne są superkondensatory, które zasłaniają diody, przez co te ostatnie pozostają niewidoczne.

Fotografia 2. Kompletna prądnica z bankiem kondensatorów

Opis działania – instrukcja użytkowania

Aby wytworzyć energię elektryczną za pomocą urządzenia RIL, należy zamienić energię mechaniczną lub słoneczną na postać elektryczną. Główne źródło zasilania stanowi korbka. Alternatywnie (lub równolegle) można wykorzystać panel fotowoltaiczny, podłączany do odpowiedniego wejścia – szczególnie przydatny w słoneczne dni.

Użytkownik ma możliwość sterowania przepływem energii za pomocą przełącznika, który znajduje się przed przetwornicą – pozwala on na odłączenie kondensatorów od układów wyjściowych przetwornicy, aby uniknąć niepotrzebnych strat energii. Jednakże użytkownik dalej może bezpiecznie korzystać z bezpośrednich wyjść wyprowadzonych z banku kondensatorów.

Stabilizowane wyjście 5 V (poprzez przetwornicę DC/DC) służy do zasilania urządzeń takich jak odbiornik radiowy czy oświetlenie LED. Natomiast bezpośrednie wyjście z kondensatorów wykorzystywane jest jako opcja ładowarki lub zapalniczki – zwarcie dwóch specjalnie wyprowadzonych poza obudowę przewodów (np. spinaczem biurowym) powoduje ich nagrzanie, co przy kontakcie z kartką papieru lub chusteczką skutecznie inicjuje powstanie płomienia.

Urządzenie nie zostało wyposażone w żadne kontrolki informujące o poziomie naładowania – można go odczytać pośrednio, obserwując działanie podłączonych urządzeń. Planowana jest rozbudowa o prosty woltomierz, co pozwoli użytkownikowi lepiej monitorować zgromadzoną energię.

W praktyce 5 minut intensywnego kręcenia korbką pozwala na około 40 minut działania oświetlenia (czas może się różnić w zależności od intensywności światła). Radio, a szczególnie zapalniczka, jako odbiorniki bardziej energochłonne, będą działały krócej. Gotowe urządzenie zamknięte w obudowie widać na fotografii 3.

Fotografia 3. Cały RIL bez podłączonych modułów wyjściowych

Bezpieczeństwo

Istotną kwestią użytkowania każdego produktu jest bezpieczeństwo. Napięcia w naszym urządzeniu nie przekraczają 5 V. Za sprawą odizolowania od sieci energetycznej oraz braku zewnętrznego zasilania, RIL stanowi całkowicie bezpieczne i niezależne źródło energii.

Ponadto prądnica wyposażona jest w system przeciwzwarciowy oparty na źródle prądowym. Po kilkukrotnych, testowych zwarciach wykonanych ogniwami Li-Ion 18650 (potrafiącymi oddać w impulsie 300 A!), nie zostały zaobserwowane żadne nieprawidłowości.

Zabezpieczenie jest na tyle szybkie, że na stykach nie pojawiała się nawet iskra.

Kolejną istotną kwestią jest nasz magazyn energii. Przy zwarciu banku energii przewodem 1,5 mm² przy napięciu 5 V uzyskaliśmy prąd 50 A! Natomiast jeśli mowa o pojemności banku – jest ona na tyle mała, że nie stanowi zagrożenia dla zdrowia człowieka.

Nasz magazyn oparty jest na superkondensatorach, które są bezpieczniejsze niż popularne ogniwa litowo-jonowe. Superkondensatory można rozładować do 0 V, natomiast ogniwa mogą być rozładowywane do określonego minimalnego napięcia, wynoszącego zwykle około 2,5 V (zalecane napięcie końcowe wynosi zazwyczaj około 3 V). Ponadto ogniwa po przeładowaniu lub uszkodzeniu mogą się zapalić lub wręcz eksplodować. Po rozpoczęciu reakcji spalania praktycznie nie ma możliwości jej przerwania, ponieważ podczas spalania litu wydziela się tlen, przez co nawet odcięcie powietrza z zewnątrz nie doprowadzi do końca spalania (podobnie jak w przypadku pożarów samochodów elektrycznych). Z tych właśnie powodów zastosowaliśmy technologię superkondensatorów.

Także przetwornica DC/DC współpracująca z panelem PV jest wyposażona we wbudowane ograniczenie prądowe. Niezależnie od napięcia wejściowego, moduł przetwornicy dostarcza napięcie 5 V do zasilania superkondensatorów. Należy pamiętać, że w przypadku braku odpowiednio intensywnego światła słonecznego, gdy użytkownik nie używa stale korbki, napięcie na baterii kondensatorów może być wyższe niż na wejściu przetwornicy step-down, co skutkuje przepływem prądu wstecznego, który jest niekorzystny dla urządzenia. Aby temu zapobiec, na wyjściu przetwornicy znajduje się dioda Schottky’ego, która w kierunku przewodzenia wprowadza spadek napięcia tylko 0,2 V.

Skrócony opis procesu opracowywania prądnicy RIL

1. Założenia projektowe – określenie celu.
2. Analiza istniejących rozwiązań – przegląd podobnych urządzeń (np. harvesterów) i identyfikacja ich ograniczeń.
3. Projekt koncepcyjny – wykonanie szkiców i wizualizacji urządzenia.
4. Dobór komponentów oraz opracowanie układu elektronicznego.
5. Wykonanie obudowy, montaż, programowanie i testy, kalibracja i poprawki.
6. Sprawdzenie działania urządzenia w warunkach terenowych oraz końcowe optymalizacje, poprawki i estetyczne wykończenie.

Wprowadzone przez nas rozwiązania oraz ich pozytywne skutki to przede wszystkim:

• zastosowanie źródła prądowego opartego na germanie, który charakteryzuje się niskimi stratami przewodzenia (nawet poniżej 0,1 V),
• beziskrowe zabezpieczenie nadprądowe,
• optymalizacja strat mocy na mostku poprzez zastosowanie diod germanowych polskiej produkcji (z serii DZG) i układu 6-fazowego do kompensacji strat,
• bezszczotkowe silniki BLDC w postaci prądnic wejściowych,
• superkondensatory w roli banku energii (o łącznej pojemności 67 F),
• nowoczesna przetwornica step-up o napięciu wejściowym 0,5 V...5 V oraz maksymalnym obciążeniu 0,49 A.

Dzięki zaimplementowanym przez nas rozwiązaniom uzyskaliśmy kompaktową konstrukcję o niskich stratach mocy i wysokiej wydajności. Prądnicę możemy bezproblemowo zabierać na biwak czy w inne miejsca bez dostępu elektryczności. Projekt został przetestowany na kolejnym już biwaku w Boszkowie i sprawdził się znakomicie. Dzięki zgromadzonej w trakcie dnia energii słonecznej, mieliśmy nocą oświetlenie na 50 minut, a następnie po około 5-minutowym kręceniu korbką, znów mogliśmy cieszyć się światłem przez ponad 40 minut gry.

Podsumowanie

Budowa prądnicy RIL była dla nas nie tylko inżynierskim wyzwaniem, ale też okazją do twórczej współpracy i rozwijania pasji. Projekt pozwolił nam połączyć nowoczesne technologie z praktycznym podejściem do realnych problemów. Z satysfakcją możemy powiedzieć, że RIL to nie tylko urządzenie – to dowód na to, że pomysł, zaangażowanie i zespół mogą skutkować powstaniem czegoś naprawdę funkcjonalnego.

Był to dla nas dobry sprawdzian umiejętności oraz przyjaźni. Jeśli ktoś z Czytelników chce prześledzić nasze działania od idei do skończonego RIL-a, zapraszamy do obejrzenia poniższej playlisty materiałów na YouTube, a jeśli spodoba się Państwu nasz format, to zapraszamy także do subskrypcji kanału i oglądania nas na bieżąco: https://www.youtube.com/playlist?list=PLhre3KUEv-Gklr4QBOminvlCWryIg4eIj

Szymon Kusiński^a
Hubert Żarnowski^b
mgr Jarosław Sobczak^b
dr Paweł Sobczak^{b, c, d}

^a Politechnika Poznańska
^b Zespół Szkół Technicznych im. Waldemara Gostomczyka w Ostrowie Wielkopolskim
^c Akademia Nauk Stosowanych w Koninie
^d Uniwersytet Kaliski im. Prezydenta Stanisława Wojciechowskiego

Literatura wykorzystana do budowy projektu:

1. Chwaleba Augustyn, Moeschke Bogdan, Płoszajski Grzegorz, Elektronika, Wyd. 7, Warszawa, WSiP, 1999, ISBN 83-02-06221-9
2. Horowitz Paul, Hill Winfield, Sztuka elektroniki, t. 1–2, Wyd. 12 zmienione, przeł. Bogusław Kalinowski, Grażyna Kalinowska, Warszawa, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, 2023, ISBN 978-83-206-1992-8
3. Nowak Mieczysław, Energoelektronika w systemach zasilania i napędu elektrycznego, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2013
4. Gieras Jacek, Silniki bezszczotkowe prądu stałego, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1990
5. Barlik Ryszard, Przekształtniki energoelektroniczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2005