XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка альтернативного источника электроэнергии для зарядки аккумулятора мобильного телефона. Термогенератор.
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
«Наш мир погружен в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном постранстве с непостижимой скоростью. Все вокруг вращается, движется – все энергия. Перед нами грандиозная задача – найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая ее из этого неисчерпаемого источника, человечество будет продвигаться вперед гигантскими шагами»
Никола Тесла
Актуальность. В современном мире человечество не представляет своей жизни без комфортных условий, например, без электроэнергии. Но на станциях, которые вырабатывают электричество, в качестве источников энергии используется газ, нефть, каменный уголь. И здесь можно выявить две проблемы. Во-первых, данные ресурсы в какой-то момент закончатся. Во-вторых, не стоит забывать об отрицательном экологическом воздействии сжигания топлива (продукты сгорания загрязняют воздух, увеличивается содержание парниковых газов в атмосфере). Альтернативная энергетика, построенная на использовании возобновляемых источников энергии, может решить эти проблемы.
К тому же сейчас очень популярен становится здоровый образ жизни, спорт, различные походы, отдых на даче или природе, где нет бытовой электрической сети. Поэтому остро становится вопрос о зарядке того же самого телефона.
Представим себе, что мы идем в поход в зимнее время года в густой темный лес. Самый доступный альтернативный источник – это тепло от костра, который горит с помощью древесины. Его и будем использовать в нашем устройстве.
Цель. Собрать термогенератор, способный зарядить телефон в выбранных походных условиях.
Объект проекта- альтернативные источники энергии.
Предмет проекта – способы получения электроэнергии из альтернативных источников.
Задачи проекта:
Изучить информацию об альтернативных источниках энергии;
Выявить их минусы и плюсы;
Изучить информацию о приборах, работающих на альтернативной энергии;
Самостоятельно получить энергию от тепла (огня);
Сделать выводы
Методы исследования:
изучение и анализ научной литературы;
конструирование и эксперимент;
обработка полученных экспериментальных данных;
обобщение полученных знаний.
Этапы реализации проекта:
Рассмотрение альтернативных источников энергии и выявлении наиболее используемых на данный момент в мире (солнечная, ветроэнергетика, энергия Земли (термальные источники));
выбор экспериментальных приборов и подбор материалов для них;
обработка и анализ полученных данных.
Основная часть
Глава 1. Альтернативные источники энергии
1.1. Энергия ветра
Ветроэнергетика – это преобразование кинетической энергии воздуха в электрическую (ветрогенераторы), механическую (ветряные мельницы) и другие виды энергии.
Ветер люди используют еще с незапамятных времен (ветряные мельницы, парусный флот). На Земле имеются обширные районы, где постоянно дуют устойчивые ветры. В 2019 году ветроэнергетика выработала 15% электричества в ЕС.
В России же в данный момент эта отрасль используется в основном в сельской местности, где доступ к основным источникам энергии ограничен. Большая часть ветровых зон России – это степи на юге России, морские побережья, Карелия, Алтай.
Принцип работы ветроустановок достаточно прост: лопасти, вращающиеся за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Благодаря наличию статорной обмотки, она превращается в электрический ток. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии.
Преимущества:
Отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу
Затраты на строительство ветряных станций постоянно снижаются (в отличии от использования других энергоносителей)
Недостатки:
Неравномерное распространение ветра
Большие площади для размещения ветровых установок
Возможные изменения в ландшафте
Шум
1.2. Энергия Солнца
Солнце является основным источником всех видов энергии, которыми человек имеет в своем распоряжении. Энергию солнца люди стали использовать не так давно, как энергию ветра и воды. Нельзя утверждать, что широкомасштабное использование солнечной энергии не будет иметь никаких последствий для окружающей среды, но все же они будут несравненно меньшими, чем в традиционной энергетике. В отдаленных местах, куда дотянуть кабель от электростанций стоит очень дорого, используют солнечную энергию. Это отдаленные фермерские хозяйства, отдельно стоящие обитаемые острова, морские и космические станции. На данный момент примерно 7 миллионов домов по всему миру оборудованы солнечными батареями. И основными странами-потребителями солнечной энергии являются Китай Германия, США,Швейцария.
Принцип работы солнечной батареи. Под влиянием солнечного света электроны начинают движение частиц, и между ними возникает электрический ток. Чтобы снять ток с пластин их пропаивают тонкими полосками специально обработанной меди. Одной кремниевой пластины хватит для зарядки маленького фонарика. Соответственно, чем больше площадь панели, тем больше энергии она вырабатывает
Преимушества
Запас солнечной энергетики большой и бесконечный.
Энергию из солнечных лучей можно собирать и использовать каждый летний (и даже зимний) день, по всей поверхности Земли.
Экологическая чистота.
Отсутствие шумов.
Недостатки
Зависимость от погоды и времени суток
Высокая стоимость.
Необходимость испозования больших площадей.
Нагрев атмосферы под электростанцие
1.3. Энергия внутреннего тепла Земли
Геотермальная энергетика – это направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли. Геотермальная энергия находится у нас под ногами. Остается только нагнуться и взять ее. Поток этой энергии огромен. На земле довольно много мест, где имеются термальные источники и большие температурные градиенты. Это часть районов России (Камчатка, Карпаты, Кавказ), Исландии, Новой Зеландии и США, а также других стран, имеющих на своей территории горные массивы.
В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.
На сегодняшний день геотермальные ресурсы используются в сельском хозяйстве, садоводстве, аква- и термокультуре, промышленности, сфере жилищно-коммунальных хозяйств. Подобный подход применяется в таких государствах - Кении, Израиле, Мексике, Греции, Гватемале и Теде.
Преимущества:
Геотермальную энергию можно использовать в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от температуры) для нужд горячего водо- и теплоснабжения, а также для выработки электроэнергии.
Данный вид энергии практически неиссякаем и имеет полную независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.
Использование этой энергии позволяет обеспечить тепло- и электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснабжение отсутствует или обходится слишком дорого (например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т.п.)
Практически отсутствуют какие-либо вредные или токсичные выбросы.
Недостатки:
Требуется определенное местоположение для бурения скважин. Не так много мест в мире, где можно строить геотермальные электростанции.
Высока вероятность минерализации термальных вод большинства месторождений и наличия в воде токсичных соединений и металлов.
Значительные капитальные затраты
Иногда действующая геотермальная электростанция может остановиться в результате естественных изменений в земной коре.
1.4. Биотопливо.
К этому понятию относится все, что связано с получением энергии из различного возобновляемого сырья биологического происхождения.
Существует всего 3 вида биотоплива:
Твердое топливо (древесина)
Это лидирующий вид, применяемый в различных обогревательных котлах, даже в тех, которые вырабатывают наряду с тепловой энергией электрическую. К нему могут относится: древесные отходы, различного происхождения; отходы сельскохозяйственного производства (лузга, шелуха, солома, тростник); торф; органические отходы лесопромышленного комплекса; энергетические плантации; специально выращиваемая топливная древесина.
Жидкое топливо (биодизель, биоэтанол и т.д.)
Среди жидких видов самым распространенным является спирт, изготавливаемый из сельскохозяйственной продукции, например, из кукурузы или сахарного тростника. Он применяется в автомобилях или используется для домашних каминов.
Газообразное топливо (биогаз)
Биогаз - высококачественный носитель энергии, используется в среднем и мелком предпринимательстве для приготовления пищи, производства электроэнергии, отопления жилых и производственных помещений.
Из всего многообразия биотоплива в России наиболее распространенным являются топливные гранулы (пеллеты). Они получается из торфа, древесных отходов и отходов сельского хозяйства. Представляет собой цилиндрические гранулы стандартного размера. Топливные гранулы - экологически чистое топливо с содержанием золы (их тоже можно использовать для нашего устройства).
Преимущества биотоплива:
Такая энергия решит проблему изменения климата.
При ответственной переработке не будет загрязнять атмосферу, поскольку новые растения в процессе роста поглотят углерод, выделяющийся во время сжигания топлива.
По сравнению с традиционным топливом, данная энергия намного дешевле в использовании.
Недостатки биотоплива:
Может привести к выбросу некоторого количества различных загрязняющих атмосферу веществ. Например, окислы азота (NO) или значительное количество окислов углерода (при прямом сжигании древесины).
При некоторых технологиях отдельные виды топлива, получаемого из биомассы, могут потребовать для своего производства больше энергии, чем смогут дать.
Глава 2. Термогенератор
Изучив различные литературные источники, а также проанализировав информацию из интернета, выбрал по моему мнению наиболее удобный и практичный термогенератор, который может собрать каждый человек из подручных средств.
Материалы:
1. Жестяная банка
2. Радиатор охлаждения от процессора компьютера
3. Термопаста
4. Элемент ПельтьеTEC1 12706
5. Преобразователь повышающий
6. Вход USB
Оборудование: паяльник, дрель.
В жестяной банке вырезаем дно и в стенках делаем небольшие отверстия дрелью.
Рисунок 1. Сборка термогенератора
Берем элемент Пельтье, принцип работы которого основан на нагревании его с одной стороны и охлаждении с другой (при таких условиях вырабатывается электрический ток). Для повышения теплопроводности элемента Пельтье смазываем крышку банки термопастой и на нее устанавливаем пластину.
Рисунок 2. Сборка термогенератора
И вновь сверху наносим термопасту на элемент Пельтье. Теперь на него устанавливаем радиатор охлаждения.
Рисунок 3. Сборка термогенератора
Измеряем напряжение. Мультиметр показывает около 1 вольта. Этого недостаточно, для зарядки телефона необходимо около 5 вольт. Поэтому мы будем использовать повышающий преобразователь, который повысит и стабилизирует выходное напряжение до 5 вольт.
Рисунок 4. Сборка термогенератора
К выводам элемента Пельтье подключаем преобразователь, соблюдая полярность.
Рисунок 5. Сборка термогенератора
Для нашего удобства еще не забываем прикрепить вход USB.
Рисунок 6. Сборка термогенератора
Работать он будет, если поставить его на открытый огонь, поддерживаемый природными материалами (дрова, ветки, шишки и т.д.), а погода должна быть холодной для лучшего охлаждении.
Возможные улучшения:
1) В качестве бонуса можно установить светодиод для дополнительного освещения;
2) Корпус сделать разборным, чем уменьшим занимаемый прибором объем (в походе дорог каждый грамм веса);
3) В качестве радиатора можно использовать кастрюлю (или любую другую емкость) со снегом или холодной водой.
Заключение
В результате проделанной работы достигнуты поставленные цели и задачи. Во-первых, изучена литература по теме проекта и выявлены плюсы и минусы использованных альтернативных источников энергии. Во-вторых, собрано устройство, работающие с помощью данных источников. В-третьих, его энергии достаточно для питания небольших осветительных приборов в бытовых целях (например, светодиодного фонаря), а также использование для подзарядки аккумулятора мобильного телефона.
Мы пришли к выводу, что внедрение альтернативных источников энергии вполне оправдано (даже несмотря на небольшую эффективность собранных нами моделей, не стоит забывать, что их параметры можно увеличить). И в будущем эти источники могут полностью или частично заменить традиционные виды энергетики и решить проблему экологии и исчерпаемости топливных ресурсов. Некоторые развитые страны, не располагая изначально природными ископаемыми, уже получают более 50% энергии из альтернативной энергетики. Именно в таком направлении необходимо двигаться и остальным странам, в том числе и России.
Список использованных источников
Энергетика, экология и альтернативные источники энергии / О. М. Лисов, В. Е. Степанов // Экология промышленного производства :Межотрасл. науч.-практ. журн. по отеч. и заруб. матер. - М.: ВИМИ, 2013. - N1.- С.47-55
Хочу стать Кулибиным / И.И.Эльшанский . М: Дрофа, 2008
https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B8
https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0
https://ru.m.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D0%A0%D0%BE%D1%81%D1%81%D0%B8%D0%B8
https://samelectrik.ru/delaem-besplatnoe-elektrichestvo-prostoj-samodelnyj-generator.htm12