XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Выгодное получение экологически чистого электричества
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Паспорт проектной работы:
Название проекта "Выгодное получение экологически чистого электричества"
Автор проекта: ученица 10"А" класса: Мешалкина Софья.
Научный руководитель: Кувшинов Валерий Валентинович, учитель физики.
Задачи проекта:
1) научиться работать самостоятельно с различными источниками информации, в том числе с Интернет-ресурсами;
2)ознакомиться с видами электроэнергии и влиянием её добычи на окружающую среду;
3) ознакомиться с принципом эффекта Пельтье, Зеебека;
4) создать модель устройства-источника света;
5) научиться вести презентацию результатов своей работы.
Результат проекта: создание устройства.
Этапы работы над проектом:
I.Подготовительный:(сентябрь-октябрь 2020 г.)
1) Выбор темы;
2) Постановка цели и задач для реализации;
3) Распределение этапов работы при сборе материалов.
Результат:
1) Тема выбрана: "Получение экологически чистого, бесплатного электричества".
2) Цель поставлена: создать устройство;
3) Задачи проекта (указаны выше).
II. Поисковый:(ноябрь-декабрь 2020 г.)
1) Ознакомление с видами электроэнергии и влиянием её добычи на окружающую среду;
2) Ознакомление с принципом работы эффекта Пельтье, Зеебека;
3) Испытать в ходе эксперимента элемент Пельтье;
4) Разработка устройства, произведение расчётов;
5) Поиск нужных запчастей для создания устройства;
Результат:
1) Провела анализ недостатков видов добычи электроэнергии;
2) Провела испытание элемента Пельтье;
3) Произвела расчёты для создания устройства;
4) Изучила соответствующую литературу;
5) Написала теоретическую часть проекта.
IIIАналитический: (январь-февраль 2021г)
1)Соединение вместе всех частей работы: теоретической и практической ее части.
2) Создание презентации проекта;
3) Создание модели.
Результат:
1) Проект создан;
2) Сделана презентация проекта;
3) Создано устройство.
IV: Презентация продукта:(февраль-март 2021г.)
Представление результатов проекта в классе и на школьной научно-проектной конференции.
Результат:
1) Прошла предзащиту проекта в своем классе;
2)Выступила с сообщением и демонстрацией макета в параллели 9 классов;
Материально-техническое обеспечение проекта:
Материал: устройство, созданное дома при помощи школьных инструментов.
Введение
Проект "Выгодное получение экологически чистого электричества" был создан по заказу кафедры физики школы. При выборе темы мой учитель рекомендовал именно ее, так как проведённый нами анализ загрязнения окружающей среды от добычи электроэнергии и данная проблема может повысить интерес не только к окружающей нас действительности, но и к решению задач на типовые темы по физике.
Проект включает в себя приведение информации о решениях этой проблемы, научные данные об элементе Пельтье, а также создание личного изобретения в данной сфере. Более того, проект рассчитан на формирование положительных эмоций в изучении физики.
Актуальность моей работы состоит в том, что задача устранения загрязнения окружающей среды из-за несовершенных технологий добычи электроэнергии остаётся нерешённой. Сейчас этот вопрос является приоритетным.
Цель проекта: создание устройства добычи электроэнергии с минимальным количеством пагубных последствий с помощью элемента Пельтье;
Задачи проекта:
1) научиться работать самостоятельно с различными источниками информации, в том числе с Интернет-ресурсами;
2) ознакомиться с видами добычи электроэнергии и принципом работы элемента Пельтье;
3) рассчитать всё необходимое для создания устройства;
4) создание устройства добычи электроэнергии с минимальным количеством пагубных последствий с помощью элемента Пельтье;
5) научиться вести презентацию результатов своей работы.
Свою работу я выполнила в несколько этапов. Сначала он был подготовительный: (сентябрь-октябрь2020 г.) По совету своего учителя я выбрала тему "Выгодное получение экологически чистого электричества", я поставила цели и задачи. Дальше на поисковом этапе: (ноябрь-декабрь 2020 г.) ознакомилась с характеристикой элемента Пельтье, изучила необходимые эффекты элемента, провела расчет и сравнение затрат на обычную лампочку и на светодиодах с элементом Пельтье, подобрала и изучила соответствующий материал.
В течение января - февраля я создала устройство и презентацию своего проекта. На этапе презентации я выступила с показом макета в параллели 9 классов и на школьной практической конференции, где вызвал массу положительных отзывов и большой интерес.
Проблема загрязнения окружающей среды из-за выработки электроэнергии
Энергетика влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ).
К энергетическим загрязнениям относятся все виды энергии — механической (вибрация, шум, ультразвук), тепловой, световой, электромагнитные поля, ионизирующие излучения — как отходы
разнообразных производств. Радиоактивные отходы одновременно являются материальными и энергетическими.
Наибольшее число отрицательных воздействий связано с развитием и эксплуатацией ТЭС. Тепловые электростанции, сжигающие органические виды топлива, неблагоприятно влияют практически на все сферы окружающей среды и подвергают природу всем рассмотренным видам воздействий, включая выбросы радиоактивных веществ в составе летучей золы дымовых газов, которые по оценкам ряда специалистов превышают объем радиационных выбросов АЭС при их нормальной эксплуатации. Радиоактивные вещества, содержащиеся в первичном топливе, выносятся за пределы ТЭС с твердыми частицами (золой) и рассеиваются с дымовыми газами на огромной территории.
Безусловно, свою долю в загрязнение вносит также применение перечисленных энергоносителей и продуктов их переработки в других областях, прежде всего на транспорте и в промышленности. Сжигание угля, нефти, газа и других видов топлива, независимо от сферы их применения, кроме прямого загрязнения атмосферы, почвы и воды, приводит к колоссальным выбросам углекислого газа, которые, по мнению специалистов, являются главной причиной так называемого парникового эффекта. В более долгосрочной перспективе запускаемые ими процессы ведут к катастрофическим изменениям климата на планете со всеми вытекающими из этого последствиями.
На атомные электростанции многие сегодня возлагают большие надежды. При правильной работе они эффективны, безопасны для людей и окружающей среды, дают относительно недорогую электроэнергию. Если учёным удастся полностью взять под контроль процесс распада атомного ядра и поставить его на службу людям, человечество будет обеспечено чистым, доступным и дешевым источником энергии на много веков вперёд. К сожалению, пока огромным минусом данного вида электростанций являются катастрофические неподвластные человеку последствия, которые может повлечь за собой любая их авария.
Таким образом, проблема безопасной добычи электроэнергии остаётся актуальной. Человечество придумывает новые решения. Я не остаюсь в стороне и также хотела бы внести в это вклад. (рис.1)
Виды источников электроэнергии
Энергия – этo тo, без чегo невозможно существование не только челoвека, но и всего живого на земле. Пoэтому вопросы, связанные с использованием различных источников энергии и их воздействия на окружающую среду будут стоять перед человечеством всегда. И если вопрос возобновляемости таких источников рано или пoздно будет решен, то прoблемы влияния на экологию планеты сoздаваемых людьми энергетических систем, будь тo гидроэлектростанции, атомная энергетика или сoлнечные батареи вряд ли когда-нибудь пoтеряют свoю актуальность.
Существуют разные классификации видов энергии. Oдна из них - пo фoрме, в котoрой oна пoступает на службу человеку. При этoм кoличество энергии – величина постоянная. Происходит лишь перетекание её из одной формы в другую при помощи разного типа энергоносителей в хoде различных химических и физических процессов. Oсновными видами энергии на земле являются:
химическая;
лучистая (энергия света);
тепловая;
гравитационная;
кинетическая;
электрическая;
ядерная.
Каждый из известных истoчников энергии даёт возможность получать как один, так и несколько её видов одновременно. Например, сoлнце – истoчник тепла, света и целого спектра других видов излучения. При этoм солнечная батарея производит электрическую энергию, которая затем снoва трансфoрмируется в свет и тепло. Все виды энергии теснo связаны между собой.
Типы энергии ещё принято делить на:
потенциальную (например, любое телo на земле, даже находясь в покое, обладает потенциальной энергией, источником которой является земная гравитация);
кинетическую (то есть, связанную с любым видoм движения).
Энергия также мoжет являться:
первичнoй (непосредственно исходящей от источника, например, солнечный свет, тепло);
вторичнoй (возникающей в процессе преoбразования первичнoй энергии, например, электрическая).
Следует заметить, чтo преобразование однoго вида энергии в другой не является изобретением человека. Такие прoцессы присутствовали в природе всегда, они лежат в основе существования всего живого и самой планеты. Челoвек лишь сумел изучить закoны, по кoторым они развиваются, и пoпытался пoставить их себе на службу.
Так, например, химическая энергия, вoзникающая в прoцессе потребления людьми растительной или животной пищи, в процессе обмена веществ преoбразуется в теплoвую, поддерживающую температуру его oрганизма, и кинетическую, дающую возможность работать его органам, а телу двигаться, снова отдавая энергию природе в виде тепла и химических процессов.
Такое перетекание энергии прoисходит постоянно, и до определённой поры человек не имел возможности вмешаться в этот прoцесс. Всё изменилось, когда он научился сознательно использовать её истoчники. Например, испoльзование энергии пара стало величайшим открытием человечества перед изобретением электричества и сoвершило техническую революцию в XIX веке. Тепловая энергия горящего дерева, угля или нефтепродуктов, нагревая котёл с водой, преобразовывалась в кинетическую энергию пара, приводящего в движение промышленные станки, двигатели паровозов и пароходов. Началась эра активного воздействия человека на окружающую среду, но к чему это может привести, стало понятно далеко не сразу.
4efoirhngvoiarnhgoierngoeirgjoierngoierngoingoikngoikrnoinogbvikbernjibnroinaoinwrigaoijeiorhniernhgianhgiaernhgirnhgiaehneoi
Элемент Пельтье и его применение
Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип действия которого базируется на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. Thermoelectric Cooler — термоэлектрический охладитель).
Эффект Пельтье был открыт французом Жаном-Шарлем Пельтье в 1834 году. В ходе одного эксперимента, он пропускал электрический ток через пластину висмута, с подключенными к ней медными проводами. В ходе эксперимента он обнаружил, что соединение висмут-медь нагревается, а другое остывает.
Проводя эксперимент, Пельтье не понимал всю сущность открытого им явления. В полной мере смысл этого явления позже объяснил Ленц. В своём опыте Ленц экспериментировал с каплей воды, помещённой между двух проводников (висмута и сурьмы). При пропускании тока в одном направлении капля воды замерзала, а при изменении направления тока - таяла. Тем самым было установлено, что при прохождении тока через контакт двух проводников в одном направлении тепло выделяется, в другом - поглощается. Данное явление было названо эффектом Пельтье. Эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека.
Элементы Пельтье применяются для охлаждения устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах. За счёт этого достигается заметное уменьшение теплового шума при длительных экспозициях (например в астрофотографии). Многоступенчатые элементы Пельтье применяются для охлаждения приёмников излучения в инфракрасных сенсорах. Также элементы Пельтье часто применяются для охлаждения и термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.
Достоинством элемента Пельтье являются небольшие размеры, отсутствие каких-либо движущихся частей, а также газов и жидкостей. При обращении направления тока возможно как охлаждение, так и нагревание — это даёт возможность термостатирования при температуре окружающей среды как выше, так и ниже температуры термостатирования. Также достоинством является отсутствие шума.
Эффект Зеебека заключается в создании термопары, которая состоит из двух разнородных металлов, образующих друг с другом замкнутый контур. Металлы друг от друга отличаются разными коэффициентами Зеебека, вследствие чего возникает напряжение между нагретым проводником термопары и ненагретым проводником. Это напряжение прямо пропорционально разности их температурных значений.
Во многих термоэлектрических устройствах применяется эффект Зеебека. В большинстве случаев в структуру термоэлектрических генераторов включаются термобатареи, которые набираются из полупроводниковых термических элементов.
Недостатком элемента Пельтье является более низкий коэффициент полезного действия, чем у компрессорных холодильных установок на фреоне, что ведёт к большой потребляемой мощности для достижения заметной разности температур. Несмотря на это, ведутся разработки по повышению теплового КПД, а элементы Пельтье нашли широкое применение в технике, так как без каких-либо дополнительных устройств можно реализовать температуры ниже 0 °C.
Основной проблемой в построении элементов Пельтье с высоким КПД является то, что свободные электроны в веществе являются одновременно переносчиками и электрического тока, и тепла. Материал для элемента Пельтье же должен одновременно обладать двумя взаимоисключающими свойствами — хорошо проводить электрический ток, но плохо проводить тепло.
Параметры элементов Пельтье
Qmax (Вт) – холодопроизводительность, при максимальнодопустимом токе и разности температур между горячей и холодной сторонами равной 0. Считается, что вся тепловая энергия, поступающая на холодную поверхность, мгновенно, без потерь передается на горячую.
Delta Tmax (град) - максимальная разность температур между поверхностями модуля при идеальных условиях: температура горячей стороны – 27 °C и холодная сторона с нулевой отдачей тепла.
Imax (А) – ток, обеспечивающий перепад температур delta Tmax.
Umax (В) – напряжение, при токе Imax и разности температур delta Tmax.
Resistance (Ом) – сопротивление модуля постоянному току.
COP (Сoefficient Of Рerformance) – коэффициент, отношение мощности охлаждения к электрической мощности, потребляемой модулем. Т.е. подобие кпд. Обычно 0.3-0.5.
Характеристика элемента TEC-12706
Итак: напряжение для запитки устройства от 3,7 до 12 Вольт, номинальное напряжение питания 12 Вольт; максимальный ток при 12 Вольт 4,5 А, мощность устройства 50- 60 Вт; наибольшая разница температур, который дает модуль 60 градусов Цельсия; размер: 40 х 40 х 4 мм, вес: до 25 гр.
Структура и механизм работы модуля Пельтье TEC1-12706.
Модуль представляет собой ряд последовательно связанных полупроводниковых элементов типа “n” и “p”. (рис.2) Когда постоянный ток проходит через данное соединение, одна сторона p-n контактов нагревается, другая напротив охлаждается. (рис. 3) Данные элементы укреплены на двух керамических пластинах в таком порядке, чтобы нагревающиеся контакты расположились на одной пластине, а охлаждающиеся – на второй. Если зажать между двумя пальцами модуль и включить ток, то можно сразу убедиться, что одно сторона модуля нагрелась, а вторая остыла. (рис. 4,5)
Расчёт количества светодиодов.
У каждого человека дома круглый год есть две трубы - с горячей и холодной водой. Вспомнив эффект Зеебика, мне пришла в голову идея. Почему бы не извлечь из этого выгоду? Так, я постепенно начала придумывать устройство, которое помогло бы решить эту задачу.
Первым делом я приступила к изучению элемента Пельтье TEC-12706. В этом элементе используются оба явления, т.е. данное устройство обратимо и может использоваться как для охлаждения, так и для получения электрического тока за счёт разницы температур. Проведя с ним эксперименты в школе, я убедилась в его действии. Так, я предположила, что с помощью элемента Пельтье можно сделать светильник. Его главным плюсом была бы абсолютная выгода, т.к. за этот свет не нужно платить, только собрать устройство.
Первым делом я измерила напряжение при разнице температур в 30 градусов при помощи вольтметра. U =0,4В (рис. 6) Такого напряжения не хватило бы для свечения даже одного светодиода. Минимально для него требуется 3 вольта. (рис.8)
Далее был произведён эксперимент при той же разнице температур, только уже измерялась сила тока короткого замыкания с помощью амперметра. I=0,2 А
Мощность самого элемента Пельтье:
P1=I1*U1=0,4*0,2=0,08 Вт
После был произведён эксперимент с большей разностью температур в 45 градусов. Был получен такой результат: U2=1.2 В I2=0.3А
Мощность элемента при разнице температур в 45 градусов:
P2=I2*U2= 1,2*0.3=0,16 Вт
Повысить напряжение можно с помощью DC-DC преобразователя. Согласно характеристик преобразователя при входном напряжении более 0,9В на выходе получим 5В.
КПД-95%=0.95
P (при потерях) = 0.16*0.95=0.15Вт
Зная характеристику DC преобразователя, нужно найти ток, выходящий в итоге после него. I=P/U
I= 0.15/5=0.3А
На один светодиод требуется 0.02А
При последовательном соединении ток не меняется. Поэтому сделаем сборку из 2-ух последовательно соединённых светодиодов. I(общ.)=I1=I2
Таким образом можно найти максимальное количество светодиодов, которые может зажечь изобретение.
Для этого нужно подключить параллельным соединением пары светодиодов. I(общ.)=I1+I2...
Сколько максимально можно подключить:
N=I(общ.)/I(одной пары)= 0.3А/0.02А=15 - пар светодиодов.
15*2=30 (шт.) светодиодов.
Таким количеством светодиодов можно даже заменить лампу. Но по сравнению с изобретением, освещение лампой не будет бесплатным.
Создание изобретения.
Элемент Пельтье TEC1-12706 (рис. 5);
Радиаторы;
Повышающий DC преобразователь (рис. 7);
Пара светодиодов.
С помощью тепловизора я измерила температуру труб - холодная 10 градусов Цельсия, горячая 55. После обеспечила очень плотный контакт между трубами и генерирующим модулем с помощью скоб. К трубе с холодной водой я прикрепила радиатор, к нему элемент Пельтье. С другой стороны, где горячая труба, проложила с алюминиевую прокладку для лучшей теплопроводности. Самая главная деталь - повышающий преобразователь напряжения, именно он поднимет напряжение до 3-5 В, которые необходимы для свечения светодиодного фонарика. Я соединила всё в одно целое, и светодиоды загорелись уже через пару секунд после соединения деталей. (рис.9,11) Таким образом у меня в коридоре появился светильник, который зависит только от температуры труб. (рис.10)
Заключение
В процессе работы над проектом, я ознакомилась с проблемой загрязнения окружающий среды из-за получения электроэнергии, приобрела навыки расчёта физических величин и применила их. Также было создано новое изобретение. С помощью него можно получить экологически чистое, электричество. В будущем оно может решить проблему загрязнения окружающей среды. Более того, оно будет намного выгоднее других видов добычи электроэнергии, ведь для него не требуются дополнительные ресурсы.
В своей работе я ставила цель: создать устройство для добычи электроэнергии с минимальным количеством пагубных последствий с помощью элемента Пельтье. Мне удалось создать это изобретение. Я освоила навыки использования лабораторного оборудования, углубила свои знания физики.
Список литературы
1. https://econrj.ru/stati/solnechnie-jelektrostancii-i-vsjo-s-nimi-svjazannoe/vidi-istochnikov-jenergii-i-ih-vlijanie-na-okruzhajushhuju-sredu.html
2. https://helpiks.org/5-30513.html
3.Халиуллин, А.К., Салауров, В. Н. Основы промышленной экологии: Учебное пособие для вузов /А. К. Халиуллин, В. Н. Салауров. — Иркутск: Изд-во «Оттиск», 2002. — 268 с.
4. https://moluch.ru/archive/91/19372/
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Элемент_Пельтье
6. Учебник Физика 8 класс Перышкин А.В.
7. https://izobreteniya.net/modul-pelte-tec1-12706-harakteristiki/
8. https://mosenergosbyt.info/tarify/
Приложение
рис.1
рис.2
рис. 3
рис. 4
рис. 5
рис. 6
рис. 7
рис. 8
рис. 9
Рис. 10
Рис. 11