Альтернативные источники энергии: свет от растительных биобатареек

XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Альтернативные источники энергии: свет от растительных биобатареек

Фролова А.Д. 1
1МОУ Гимназия № 4
Легенченко А.В. 1
1МОУ Гимназия № 4 Ворошиловского района г. Волгограда
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность. Эксперты и экологи всего мира утверждают, что нашей планете грозит глобальное потепление. Для того, чтобы его предотвратить необходимо сокращать выбросы парниковых газов. По данным портала ecowiki.ru 20% парниковых газов выделяют предприятия энергетики и еще 11% приходится на поиск ископаемого топлива (нефть, каменный уголь и газ), обработку и распределение.

Я считаю, что уменьшать углеродный след — это очень важно для нашей планеты и людей. Поэтому мы с братом занялись экологией и вопросами поиска возобновляемых источников энергии. Мой брат Илья придумывает, собирает и испытывает ветрогенераторы волнового типа, а я делаю биобатарейки из возобновляемых видов энергии фруктов и овощей и выращиваю растения на подоконнике. Наш проект длится уже пять лет. В 2020 году мы начали выпускать видео в Инстаграме в нашем блоге @windpowerschildren, что переводится, как «дети энергии ветра». И победили в экологическом конкурсе National Geographic #ЯБерегуПланету в номинации «юный эколог»1. Биобатарейки и огород на подоконнике очень интересны подписчикам.

Кроме блога мы делаем настоящие живые оффлайн проекты, например, в День знаний 1 сентября 2020 г. мы провели сбор использованных батареек среди учеников 2 и 5 классов и собрали 2,5 кг батареек. 8 апреля 2021 года мы провели экоуроки и собрали уже почти 3 кг батареек. Эти батарейки мы передали на накопительный пункт Романа Себекина, известного в Волгограде и России эколога. Еще мы участвовали в фестивале #ВместеЯрче, который проводился в г. Волжском и ездили со своей выставкой в г. Урюпинск на День города, проводили (и продолжаем проводить) экоуроки. Так мы показываем взрослым и детям, существуют альтернативные источники энергии, которые не вредят природе. Мои одноклассники тоже узнают много нового о возобновляемых источниках энергии и биобатарейках. Я буду продолжать заниматься этой темой, мне интересно узнавать больше об энергии овощей и фруктов и использовать ее для зарядки светодиодных лент.

Практическая значимость моего проекта в том, что все материалы научной работы, включая фото и можно использовать на занятиях по окружающему миру, а также демонстрировать биобатарейки и рассказывать о возобновляемых источниках энергии на различных мероприятиях.

Гипотеза: фрукты и овощи могут зажечь светодиод и обеспечить освещение помещения. Поэтому целью работы стало создание экономичной биобатарейки, вырабатывающей электричество из растений достаточное для того, чтобы зажглась светодиодная лента.

Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие предварительные задачи:

1. Изучить научную и образовательную литературу об альтернативных источниках энергии и особенно, энергии, вырабатываемой растениями и источниках электричества.

2. Выявить уровень знаний учеников младших классов о возобновляемых источниках энергии и биобатарейках из фруктов и овощей.

Основными задачами работы являются следующие:

3. Провести опыты на различных биобатарейках из овощей и фруктов, чтобы определить их напряжение, описать их.

4. Создать возобновляемую биобатарейку из растений, энергии которой будет достаточно для того, чтобы зажечь светодиодную ленту.

5. Обработать материалы, подготовить научную работу.

6. Снять видео и смонтировать фильм, демонстрирующий испытания биобатареек.

Новизна исследования заключается в том, что будет создана более экономичная батарея из овощей и фруктов, позволяющая сократить количество используемых растений.

Глава I. Методы и измерительные приборы

1.1. Социологическое исследование знаний учеников младших классов об альтернативной энергетике

Для решения задачи 1 проводился поиск, изучение и переосмысление информации об альтернативных и возобновляемых источниках энергии. Для этого использовались данные на различных официальных ресурсах в сети Интернет, научной научно-популярной литературы.

Выявление знаний учеников младших классов об альтернативных и возобновляемых источниках энергии, биобатарейках из фруктов и овощей (задача 2) было проведено с помощью анкеты, состоящей из 10 вопросов. В каждом вопросе было 2-4 варианта ответа, нужно было закрасить кружок с одним (или несколькими) правильным ответом. В 2021 г. в анкетировании приняли участие ученики 2 А и 2 В классов (47 учащихся). В 2020 г. в анкетировании по той же самой теме участвовали 29 учеников этих же классов. Некоторые вопросы повторялись, чтобы узнать, насколько ученики запомнили информацию об альтернативных и возобновляемых источниках энергии. Затем мы сравнивали результаты анкетирования 2020 и 2021 г. с данными анкетирования 2017 г., чтобы сравнить, как ученики младших классов усваивают информацию.

Анкета представлена в Приложении 1.

1.2. Методы и измерительные приборы для определения электрического напряжения

Для решения третьей задачи были проведены эксперименты с различными овощами и фруктами. Все эксперименты были засняты на видео с помощью смартфона iPhone 7. В работе мне помогал брат – ученик 5 А класса Фролов Илья).

В опытах использовались овощи и фрукты: картофель, морковь, огурец, грейпфрут, апельсин, зеленое яблоко, красное яблоко, вишня, дыня и арбуз, тыква. Одни были порезаны на дольки, остальные использовались целыми.

Напряжение измеряли при помощи цифрового мультиметра NJTY T28C и ампервольтметра MAS830L (рис. 1)

Рис. 1. Цифровой мультиметр NJTY T28C и Ампервольтметр MAS830L

Раньше мы использовали для изготовления электродов самодельные медные трубки, расплющенные с одного конца, они были шириной 1 см, длиной 4,5 см и цинковые пластины шириной 2,5, длиной 6,5 см (рис. 2). Так же мы использовали тонкие самодельные электроды (рис. 3 А), они изготавливались из тонкой медной и цинковой проволоки.

Сейчас мы используем самодельные электроды нового образца (рис. 3 Б), вставляем их в пластину и так их удобнее хранить и перевозить. Именно с ними я проводила экоуроки в 2021 г.

Рис. 2. Мои первые цинковый и медный электроды (эксперименты 2020 г)

А Б

Рис. 3. А Самодельные тонкие электроды из проволоки, Б Самодельные электроды нового образца

1.3. Методы обработки материалов исследования,

фото и видеозаписи

Обработка материалов исследования, изучение научных и научно-популярных статей, книг, интернет-сайтов, посвященных теме исследования, а также голосовой набор текста с преобразованием в письменный файл делала самостоятельно. В этом мне помогал мой брат Фролов Илья и его телефон (модель телефона Honor 10 PRO Huawei, программа распознавания речи Google Assistant).

Видео и фотосъемка испытаний различных растительных батарей велась с использованием телефона модели Honor 10 PRO, с разрешением камеры 13 мп, запись видео 1080p@30 fps. Монтаж видеороликов проводили на телефоне Honor 10 PRO с использованием видеоредактора PowerDirector (фото и видеосъемка проводилась И. Фроловым и мной, монтаж – И. Фролов, в съемке принимал участие дедушка – профессор С.Д. Стрекалов). Все ролики можно увидеть в нашем аккаунте в Инстаграмме под ником @windpowerschildren.

Все этапы проекта проводились мной с привлечением брата Фролова Ильи и дедушки – профессора Сергея Дмитриевича Стрекалова. Социологическое исследование проводилось мной под руководством учителя Анастасии Владимировны Легенченко.

Глава II. Результаты научного исследования

2.1. Альтернативные и возобновляемые источники энергии

Изучение различных источников об альтернативной и возобновляемой энергии [1 - 3, 5, 6, 8 - 10] показывает, что это очень актуальная тема. Особенно сейчас, когда запасы традиционной энергии угля, нефти и природного газа истощаются, а их углеродный след очень большой. Так же альтернативные источники энергии помогут сократить выбросы парниковых газов, которые сейчас огромны, страны во всем мире договорились их снижать. Альтернативные источники могут обеспечить людей энергией и при этом они не истощаются, а наоборот, являются возобновляемыми, а некоторые неисчерпаемыми. Кроме того, альтернативные «зеленые» источники энергии безвредны для окружающей среды. Они не выделяют вредных веществ опасных для человека, животных и растений. К альтернативным возобновляемым источникам энергии относятся: ветер, солнце, приливы и отливы, энергия гейзеров, энергия, получаемая из растений.

Чтобы больше людей узнавало об альтернативных источниках энергии мы с моими братом и дедушкой делаем проект, который называется МАДН (международная академия детских наук) и в рамках этого проекта показываем на что способны альтернативные источники энергии ветра и растительная энергия, делаем ветродвигатели и биобатарейки и рассказываем о пользе зеленой энергии.

Мой брат уже более пяти лет занимается изучением возобновляемых видов энергии, а именно, энергией ветра [8, 9]. Я уже два года помогаю ему в этом. За это время я узнала, что ветер дует из-за перепада температур. Холодный воздух тяжелее теплого, потому что его молекулы менее подвижны, они находятся плотнее друг к другу. Поэтому в комнате, если встать на стул и измерить температуру воздуха под потолком, окажется, что она выше, чем температура воздуха, находящегося ближе к полу. Похожее явления наблюдается на нашей планете: солнце нагревает море и сушу, но по-разному, сушу быстрее [4, 8, 9]. Огромные потоки теплого воздуха поднимаются вверх, а потоки холодного воздуха устремляются вниз, так и получается ветер. Польза ветра огромная, но самое главное для нас, что он может вырабатывать электроэнергию.

В этом году, я решила сделать свой проект внутри нашего основного проекта по ветроэнергетики и занялась изучением альтернативной энергии, добываемой из растений. Мне стало интересно, почему из овощей и фруктов можно получить электроэнергию. Оказывается, в растениях содержится вода с растворенными минеральными веществами. Этот сок является электролитом, т.е. проводит ток, если вставить в него электроды медный (положительный заряд) и цинковый (отрицательный заряд). Оказывается, не только сами растения могут давать электроэнергию, но и почва вокруг них (рис. 4).

Рис. 4. Альтернативная энергия растений (слайд из моего экоурока)

2.2. Результаты осведомленности учеников младших классов об альтернативной энергии

Мне стало интересно, знают ли мои одноклассники и ребята из параллельного класса об альтернативных источниках энергии и особенно энергии, получаемой из потоков ветра и растительной энергии. И разделяют ли они мое увлечение «зеленой» энергетикой. Об этом я узнала после проведения социологического исследования.

На первый вопрос «запасы какой энергии практически бесконечны» правильно ответили (правильных ответов было два) 35 учеников за солнечную энергию и 11 за энергию приливов и отливов, но были так же не правильные ответы, это природный газ и энергия каменного угля.

На второй вопрос «запасы какой энергии практически бесконечны» на этот раз правильно ответили 19 учеников за энергию фруктов и 18 за энергию овощей. Но некоторые ответили и на неправильный ответ, неправильный ответ — это нефть за нее проголосовали 27 учеников. За неправильный ответ проголосовали больше человек чем за правильные это значит эту тему ученики поняли плохо или не запомнили.

На третий вопрос «какие источники энергии могут закончится» правильно ответили 31 учеников на ответ уголь и 20 на ответ нефть, но 14 учеников проголосовали за ответ солнечное излучение, скорее всего они не поняли тему. На четвертый вопрос «какую пользу может принести ветер» все ответы были правильными и даже некоторые выбрали все, за «надувать паруса» проголосовали 32 ученика! А вот за вырабатывать электричество всего 26, но за «вращать лопасти мельниц» проголосовали 29 учеников, но когда я считала анкеты только несколько учеников выбрали все. На пятый вопрос «можно ли получать энергию из фруктов и овощей» 29 человек проголосовало за да, а 10 человек проголосовали нет, интересно как бы я тогда получала энергию из фруктов и овощей? Ну и 9 учеников проголосовали за «не знаю». На шестой вопрос «можно ли получать энергию из тыквы» 18 человек проголосовало за да и 14 за нет, в инстаграме я уже делала биобатарейку из тыквы, так что правильный ответ «да», а некоторые не знали ответ и отметили не знаю. На седьмой ответ «какие виды электричества ты знаешь» я сделала ответ с подвохом этот ответ был леврический ведь его не существует, за леврическое проголосовали 16 учеников, за гальваническое даже меньше, чем за леврическое, а вот за статическое 30 учеников, правильные ответы были гальваническое и статическое.

На восьмой вопрос «вы подписаны на мой блог?» Почти все ответы были нет, ведь да было только 14, а вот нет 33, наш никнейм: widpowerschildren и мы будем больше рассказывать о нем своим одноклассникам.

2.3. Создание растительных биобатареек из овощей и фруктов

Вопрос о том, как получить электричество из овощей и фруктов достаточно популярен и показывает более 4710000 результатов в Google.

Отличительная особенность моей работы заключается в том, что я не просто экспериментирую на различных овощах и фруктах. Уникальность моих опытов в том, что для получения энергии я использую в 8 – 10 (иногда в 40 раз)! раз меньшее количество овощей и фруктов. О том, что можно уменьшить количество овощей в разы, мы догадались с дедушкой. Он и помог мне собрать мою первую экономную овощную батарею.

Для первой серии экспериментов в 2021 (изготовления растительной батареи) были отобраны картофель, морковь, лук, чеснок, свекла, грейпфрут, апельсин, лимон, яблоко и гранат стандартного размера. В каждый объект поочередно вставляли цинковый и медный электроды, в картофель электроды я вбивала небольшим молотком. К концам электродов прикручивали проволочки, которые подводились к датчикам ампервольтметра MAS830L и измерялось напряжение в вольтах В (рис. 5).

Рис. 5. Первая серия экспериментов с целыми овощами и фруктами (яблоко, лук).

Результаты исследования записывались в таблицу 1.

Таблица 1.

Название

Электрическое напряжение, В

1

Картофель

0,77

2

Лук

0,63

3

Морковь

0,61

4

Чеснок

0,02

5

Свекла

0,81

6

Яблоко

0,7

7

Грейпфрут

0,8

8

Лимон

0,9

9

Апельсин

0,81

10

Гранат

0,93

Лидером по количеству вырабатываемого электричества оказался гранат, меньше всего напряжение в целом чесноке.

Если расположить электрическое напряжение (от минимального к максимальному), которое дают целые овощи и фрукты получится такая цепочка: Ч-М-Лук-Я-К-Грейп-С-А-Л-Гранат.

Во второй серии экспериментов были использованы более тонкие электроды из медной и цинковой проволоки которые также вводились в целые овощи и фрукты, результаты измерений не изменились.

В третьей серии экспериментов использовались самодельные электроды новой конструкции. Все фотографии и видео можно посмотреть в аккаунте @windpowerschildren, там у нас уже около 100 видео.

В четвертой серии опытов мы рискнули и разрезали клубень картофеля на 8 частей. Из пластиковых папок я нарезала прямоугольники, каждую дольку проложили этими пластиковыми прямоугольниками. В каждую дольку вставили по медному и цинковому электроду, первый и последний электрод соединили с цифровым мультиметром NJTY T28C (рис. 6). Всю батарею собирали в пластиковом контейнере от специй.

Рис. 6. Картофельная батарея из долек картофеля

В результате эксперимента оказалось, что разделенный на 8 долек картофель показал напряжение в 7,4 раза больше, чем 1 целый клубень, т.е. 5,7 В! К батарее прикрепили светодиод и оставили. В итоге, светодиод работал больше суток. Большее напряжение в 26 В дала разрезанная морковь, батарея из которой уже осилила зажечь светодиодную ленту. Это в 42 раза больше, чем целая морковь того же размера. Интересный эксперимент получился и с апельсином, который мы разделили на дольки. Дольки последовательно соединили между собой медными и цинковыми электродами. Этой батареи хватило для зажигания светодиодной ленты.

Но самый долгий эксперимент получился с дольками тыквы. Тыквенная биобатарейка проработала 48 часов без перерыва и все это время светодиодная лента, которая была к ней прикреплена светилась!Поэтому гипотеза о том, что фрукты и овощи могут зажечь светодиод и обеспечить освещение помещения оказалась верной. Тыквенная биобатарейка из 10 долек тыквы (четвертая часть тыквы) показала напряжение в 5 вольт, а целая тыква всего лишь 0,1 вольта. То-есть у моей биобатарейки из долек тыквы напряжение в 50 раз больше, чем у большой тяжелой тыквы! Поэтому цель работы «создание экономичной биобатарейки, вырабатывающей электричество из растений достаточное для того, чтобы зажглась светодиодная лента» достигнута. Посмотреть видео об этом эксперименте можно в нашем аккаунте в Инстаграмме.

Заключение

Все задачи проекта выполнены полностью. Гипотеза о том, что фрукты и овощи могут зажечь светодиод и обеспечить освещение помещения подтвердилась. Цель работы по созданию экономичной мощной биобатарейки, вырабатывающей электричество из растений достаточной для того, чтобы зажглась светодиодная лента» успешно достигнута.

Практическая значимостьмоего проекта заключается в том, что такую батарею можно использовать для оформления экоуроков, выставок, презентаций, фестивалей и т.д. на тему альтернативной энергетики. Этим мы и занимаемся в своем проекте МАДН.

Методы проекта можно использовать для получения «зеленого» электричества, особенно это актуально в экстремальных условиях, когда традиционной электроэнергии.

Материалы проекта могут использоваться для пропаганды знаний об возобновляемой энергии среди учеников начальной школы и формирования практических навыков по изготовлению экономичной, экологически безопасной растительной батареи. Экономичные растительные батареи можно демонстрировать на любых мероприятиях, посвященных пропаганде экологических знаний.

Мой проект, направлен на то, чтобы мы могли сохранить нашу природу, нашу родную землю. Я стараюсь делать вклад в экологически чистое будущее нашей планеты.

Список использованных источников:

Алексеенко С.В. Нетрадиционная энергетика [Электронный ресурс] / Большая российская энциклопедия. URL: https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/2263590 (дата обращения 14.02.2021)

История ветроэнергетики [Электронный ресурс] / Государственная информационная система в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. URL: https://gisee.ru/articles/windenergy/24528/ (дата обращения 2.03.2021)

Источники энергии – горячие недра земли (геотермальные источники) [Электронный ресурс] / Чистая энергия. URL: http://greensource.ru/istochniki-jenergii/gorjachie-nedra-zemli-geotermalnye-istochniki.html (дата обращения 14.02.2021)

Перельман Я.И. Занимательная энциклопедия эрудита. – Москва, Издательство АСТ, 2017. – 240 с.

Стрекалов С.Д. Инновационно-демонстрационные площадки на основе экологичных волновых ветродвигателей: структура и роль в устойчивом развитии территории / С.Д. Стрекалов и соавт. // Альтернативная энергетика и экология. – 2015. – № 13-14. – С. 66-71.

Плотникова Е. Электричество из фруктов спасет при блэкаутах [Электронный ресурс] / Сайт live-energo.ru. URL: http://live-energo.ru/articles/11571 (дата обращения 10.02.2021)

Победа! 75 лет [Электронный ресурс] / Официальный сайт. URL: https://www.may9.ru/ (дата обращения 3.03.2021)

Фролов И.Д. Ветроэнергетика для первоклассников / И.Д. Фролов, М.П. Терехина // Весенний школьный марафон: материалы IV Международной научно-практической конференции школьников (Чебоксары, 31 мая 2017 г.). – Чебоксары: ЦНС «Интерактив плюс», 2017. – 152 с. – С. 92-94.

Фролов И.Д. Взаимосвязь экологии и энергии ветра: наука для начальных классов / И.Д. Фролов, М.П. Терехина // Современные научные исследования и разработки. – 2017. – № 4. – С. 507-511.

Эксперимент «Картофельные часы» [Электронный ресурс] / Сайт melscience.com. URL: https://melscience.com/RU-ru/articles/eksperiment-kartofelnye-chasy/ (дата обращения 10.03.2021)

Приложение № 1

Анкета для учеников 2 класса

1.Запасы какой энергии практически бесконечны? (Закрась кружки с правильными ответами)

солнечная энергия

природный газ

энергия каменного угля

энергия приливов и отливов

2.Запасы какой энергии могут возобновляться? (Закрась кружки с правильными ответами)

нефть

энергия фруктов

энергия овощей

3. Какие источники энергии могут закончиться? (Закрась кружки с правильными ответами)

солнечное излучение

уголь

нефть

4. Какую пользу может принести ветер? (Закрась кружки с правильными ответами)

надувать паруса

вырабатывать электричество

вращать лопасти мельниц

5.Можно ли получать энергию из фруктов и овощей? (Закрась кружок с правильным ответом)

да

нет

не знаю

6.Можно ли получать энергию из тыквы? (Закрась кружок с правильным ответом)

да

нет

не знаю

7. Какие виды электричества ты знаешь? (Закрась кружки с правильными ответами)

гальваническое

статическое

леврическое

8. Вы подписаны на мой блог? (закрась кружок со своим ответом)

да

нет

9. Из каких фруктов и овощей можно делать биобатарейки? (Закрась кружки с правильными ответами)

дыня

картофель

яблоко

10.Хотел бы знать больше об альтернативной энергии? (Закрась кружок со своим ответом)

да

нет

не знаю

1 Конкурс Я берегу планету. Победители // National Geographic. URL: https://ecoplanet.nat-geo.ru/winners/

Просмотров работы: 91