Лимонный (растительный) аккумулятор- это практично?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Давыдов С.А. 1

---

1МАОУ Лицей№97

Горбунов П.В. 1

---

1лицей№97

Работа в формате PDF

126.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение:

Примерно в возрасте пяти лет мне сказали, что из любого фрукта или овоща можно создать аккумулятор. Меня мучал вопрос правда ли это, пока я наконец не уговорил родителей провести данный опыт. Я остался довольным, а нервы родителей потихоньку начали восстанавливаться но сейчас в седьмом классе увидев эту тему я снова загорелся и взял эту исследовательскую работу

Актуальность: Уже давно нельзя представить жизнь   на земле без аккумуляторов. Они есть практически во всех вещах которые мы используем повседневно и используем с собой, это телефон, наушники, планшеты, фотоаппараты и видеокамеры, и тд.

Мы хотим выяснить какая должна быть концентрация лимонного сока в растворе что бы напряжения которое будет создавать самодельный аккумулятор ховило что бы запитать фонарик

Цель работы: исследование зависимости напряжения, создаваемого аккумулятором, от концентрации лимонной кислоты в растворе.

Для достижения цели необходимо решить задачи:

Изучить литературу по данной теме.

Изучить принцип работы столба Вольта.

Создать установку для проведение опыта.

Проанализировать результаты опыта.

Гипотеза: мы предполагаем, что чем выше концентрация лимонного сока в растворе тем больше напряжение

Предмет исследования: Аккумулятор на основе лимонного сока.

Объект исследования: Напряжение создаваемое самодельным аккумулятором.

Методы работы: изучение литературы, наблюдение, сравнение и анализ, эксперимент.

Глава 1. Теоретическая часть

Что такое аккумулятор

(лат. accumulator — собиратель, от accumulo — собираю, накопляю)

       Аккумулятор − устройство для накопления энергии с целью её последующего использования. В зависимости от вида накапливаемой энергии различают А.: электрические, гидравлические, тепловые, инерционные.( в последствии буквой А будет обозначаться слово аккумулятор

Электрический А. служит для накопления электрической энергии путём превращения её в химическую с обратным преобразованием по мере надобности; химический источник электрического тока многоразового пользования, работоспособность которого может быть восстановлена путём заряда, т. е. пропусканием тока в направлении, обратном направлению тока при разряде (см. Химические источники тока). Первые опыты по созданию электричества А. были проведены в начале 19 в. В. В. Петровым и И. Риттером. Особенно большой вклад в изучение свойств, разработку и совершенствование конструкций А. внесли русские учёные Э. Х. Ленц, Д. А. Лачинов, Е. П. Тверитинов, Н. Н. Бенардос, П. Н. Яблочков, М. П. Авенариус, английский физик У. Гров, француз Г. Планте и многие др. (в мировой практике только по свинцовому А. к 1937 зарегистрировано 20 000 патентов). В 1900 Т. А. Эдисон изобрёл А. щелочного типа, получивший широкое распространение. Электрический А. состоит из 2 электродов, погруженных в раствор электролита; разность потенциалов электродов

эдс А. Преобразование химической энергии в электрическую происходит при наличии замкнутой электрической цепи на основе химической (токообразующей) реакции. Наиболее распространённые электрические А., в соответствии с электрохимической схемой, делятся на свинцовые (кислотные), кадмиево-никелевые, железо-никлевы (щелочные), серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые (табл.). А. характеризуется сроком службы, т. е. числом возможных циклов зарядразряд, допустимым без значительного падения характеристик; электрическим зарядом (распространён термин «ёмкость»), т. е. количеством электричества в кулонах (к), килокулонах (кк) или в ампер-часах (а(ч), которое он может отдать при разряде; средним напряжением в в, во время заряда и разряда; удельной энергией в дж, кдж или вт(ч, снимаемой при разряде с 1 кг массы или 1 дм³ объёма; отдачей по энергии (кпд) (1 а•ч = 3600 к; 1 вт•ч = 3600 дж).

         Область применения А. I группы (табл.) — автомобильный транспорт (см. Электрооборудование транспортных машин), авиация, связь. Например, стартерные аккумуляторные батареи типа 6СТ-68 ЭМС или 6ТСТ-120ЭМС, стационарные А. типа СН-1, СН-З и др. в закрытом исполнении для работы на электрических станциях, телеграфных и телефонных узлах связи. А. II группы используют в авиации, средствах связи, на электротранспортных машинах, в космических аппаратах и для питания переносной аппаратуры. Например, тяговые аккумуляторы ТНЖ-ЗООВМ применяют на электропогрузчиках и электроштабелерах; герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы типа КНГМ-10Д — для шахтных светильников; КНГ-1Д — для протезов с биоэлектрическим управлением; КНГЦ-ЗД, дисковые А. и батареи типа Д-0,06; Д-0,1; Д-0,25 и 7Д-0,1 — для питания малогабаритных радиоприёмников, электрических фонарей, слуховых аппаратов, фотовспышек и т.д. А. Ill и IV групп применяют в авиации, средствах связи, киносъёмочной аппаратуре и т. п.

Первый аккумулятор (Вольтов столб)

В 1799 году итальянский учёный Алессандро Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток.

Так был изобретён «элемент Вольта» — первый гальванический элемент. Для удобства Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой пластин (дисков) из цинка, меди и сукна, пропитанного кислотой. Вольтов столб высотою в полметра создавал напряжение, чувствительное для человека.

Извещение об открытии Вольта было отправлено 20 марта 1800 годав письме президенту Лондонского Королевского общества Бэнксу. Письмо было доложено 26 июня того же года и произвело сенсацию не только в научном мире. Наполеон пригласил Вольта в Париж, лично присутствовал на демонстрации опыта, осыпал наградами и почестями.

Какие аккумуляторы есть сейчас

Всего выделяется 4 вида основных аккумуляторов

Свинцовые аккумуляторы

Несмотря на преклонный возраст технологии, свинцовые аккумуляторы до сих пор успешно применяются в системах резервного питания, автомобильном транспорте, системах аккумулирования возобновляемых источников энергии (солнечная и ветряная энергетика, гидроэнергетика и т. д.).

Как видно из названия, в качестве основного материала, из которого изготавливают электроды, выступает свинец. Точнее, для производства положительных электродов — просто свинец, а для изготовления отрицательных электродов — оксид свинца. В качестве электролита, как правило, выступает раствор серной кислоты.

Существует большое количество конструкций свинцового аккумулятора, направленных на улучшение его эксплуатационных характеристик. Поскольку свинец сам по себе достаточно мягкий металл с невысокой физической прочностью, в чистом виде он слабо противостоит вибрационным нагрузкам, поэтому для использования аккумуляторов, например, в транспорте, в сплав свинца добавляют кальций, делающий структуру металла более прочной.

Для использования свинцового аккумулятора в источниках бесперебойного питания, дабы не допустить контакт пользователя с кислотой, исключить необходимость обслуживания, а также не создавать условия для взрыва водорода, выделяемого из АКБ, при ее заряде, используют свинцовые аккумуляторы определенного типа. Такими аккумуляторами являются источники питания типа AGM (Absorbent Glass Mat), в которых абсорбированным электролитом (не жидким) пропитан специальный пористый мат из стекловолокна.

Довольно часто свинцовые аккумуляторы, выполненные по технологии AGM, ошибочно называют гелевыми. На самом деле это не так. Гелевые аккумуляторы — отдельная ветвь развития свинцовых источников питания.

Аккумуляторы, электролитом в которых выступает раствор серной кислоты в желеобразном состоянии, называются гелевыми. Они рассчитаны на медленную отдачу энергии, поэтому основная область их применения — использование в инертных системах накопления и расходования электроэнергии (солнечная энергетика, питание моторов кресел для инвалидов, гольф-каров и т. д.).

К неоспоримым преимуществам свинцовых аккумуляторов относятся их невысокая стоимость и возможность работы в широком диапазоне температур окружающей среды (от - 40до + 40 ° С).

Один свинцовый аккумуляторный элемент выдает напряжение порядка 2 В и способен выдать удельной энергии из расчета 30–60 Вт*ч с 1 кг массы, что в сравнении с другими типами — достаточно мало. Такие аккумуляторы имеют высокие значения саморазряда, а их глубокий разряд приводит к разрушению и осыпанию пластин электродов и безвозвратной порче аккумулятора.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Конструкция элемента не претерпела изменений, только в качестве материала для изготовления электродов используются никель и кадмий. В качестве электролита применяют гидроксид калия. Один элемент на основе этих металлов может выдать напряжение 1,2–1,35 В, а значение удельной энергии находится в диапазоне 40–80 Вт*ч/кг.

Никель-кадмиевые аккумуляторы — одни из самых морозоустойчивых. Они работают без существенной потери своей емкости при температурах, близких к –50 ° С, к тому же, абсолютно не боятся глубокого разряда, и после цикла зарядки полностью восстанавливают свои эксплуатационные характеристики.

Следующим типом аккумуляторных элементов, активно использующихся во многих сферах, являются никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd). Их можно встретить в детских игрушках, пультах управления, фонариках, ручном аккумуляторном электроинструменте и т. д.

Хранить NiCd аккумуляторы рекомендуется полностью разряженными.

К отрицательным моментам относят их малую удельную емкость, высокий саморазряд, длительное время зарядки (восполнять энергию нужно малыми зарядными токами) и ярко выраженный «эффект памяти».

Чтобы не испортить аккумулятор, его необходимо заряжать только после полного разряда! Пренебрежение этим правилом повлечет быструю потерю емкости и выход элемента из строя.

Заряжают NiCd-элементы малыми зарядными токами, значения которых составляет порядка 10 % от емкости аккумулятора.

Никель-металлогидридные аккумуляторы

Логическим продолжением никель-кадмиевых аккумуляторов стали никель-металлогидридные (NiMH) элементы питания. В них учтены и практически устранены недостатки предшественников. Аккумуляторы при тех же массогабаритных показателях имеют большую в 2–3 раза емкость, обладают высокой надежностью, с легкостью переносят глубокий разряд и перезаряд, менее подвержены эффекту памяти.

Немаловажную роль в популяризации и широком распространении NiMH элементов сыграл тот факт, что они не содержат в своем составе кадмия, очень вредного для окружающей среды металла. Следовательно, с повестки дня снимаются вопросы правильного хранения и утилизации таких элементов.

Для производства анода используют гидрид никеля с лантаном или литием — так называемый металлогидридный электрод. В качестве катода — оксид никеля. Электролитом выступает соединение гидроксида калия.

Заряжают никель-металлогидридные аккумуляторы большими (в сравнении с NiCd-элементами) токами, величины которых составляют порядка 20–25 % от емкости аккумулятора, но очень важно контролировать температуру элемента во время заряда. Если она превышает 45 °С, нужно немедленно прервать процесс зарядки, в противном случае существует риск порчи элемента.

Зарядку для NiMH-аккумуляторов можно использовать в паре с NiCd-элементами. Обратная совместимость недопустима! Алгоритмы зарядки никель-кадмия более примитивны, они могут причинить вред NiMH-элементу.

Никель-металлогидридные аккумуляторы хранят полностью заряженными. Поскольку этому типу элементов присущ высокий саморазряд, для сохранения работоспособности элемента его нужно периодически подвергать полному циклу разряда/заряда.

Никель-металлогидридные аккумуляторы используют в тех же сферах, что и никель-кадмиевые, однако, благодаря повышенной емкости, их охотно применяют в фототехнике, использующей для питания элементы типа АА и ААА.

NiMH элементы — самые морозоустойчивые. Они без проблем переносят эксплуатацию при экстремально низких температурах, достигающих -60 °С. По этой причине их довольно успешно применяют в электроинструменте, используемом при выполнении работ на открытом воздухе в зимнее время.

Один элемент генерирует 1,2–1,25 в ЭДС, а его удельная энергия составляет 60–75 Вт*ч/кг. Теоретический расчетный «потолок» этого параметра находится на уровне 300 Вт*ч/кг, но видимо технологии производства NiMH-элементов, еще не до конца совершенны.

Литий-ионные аккумуляторы

Современные мобильные устройства уже сложно представить без литий-ионных аккумуляторов. Именно их разработка дала мощный толчок к развитию легких и миниатюрных решений источников питания, и, как следствие, миниатюризации всего сегмента мобильных гаджетов.

Сильными сторонами Li-ion являются высокая плотность аккумулируемой энергии, ее удельное значение, в большинстве случаев, составляет солидные 280 Вт*ч/кг, недостижимые при использовании аккумуляторов другого типа. Именно по этой причине Li-ion аккумуляторы используются не только для питания персональных гаджетов, но и для приведения в движение различных самокатов, велосипедов с электродвигателем и даже автомобилей.

Справедливости ради следует сказать, что «литий-ионный аккумулятор» — это обобщенное название целой группы электрохимических элементов, переносчиком заряда в которых выступают ионы лития. Разница заключается в составе материала катода и типе электролита.

Наибольшее распространение в бытовом сегменте получили литий-полимерные аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется специальный твердый полимер, а катодный и анодный материал нанесены на тонкие слои алюминиевой и медной фольги соответственно. Такое конструктивное решение позволяет производить аккумуляторы любой формы и размера, изящно «вписывая» их в разрабатываемые устройства.

Существенный недостаток твердого полимера — его плохая проводимость при нормальной температуре окружающей среды (+ 25 °С). Наилучшие показатели достигаются при увеличении температуры до + 60 °С, а это уже опасно с точки зрения обычного использования. Поэтому производители идут на небольшие ухищрения, добавляя к полимеру электролит в жидком или желеобразном состоянии.

Существенное отличие конструкции литий-ионных аккумуляторов от традиционной конструкции заключается в обязательном наличии разделительного сепаратора, исключающего свободное перемещение ионов лития, в моменты, когда аккумулятор не используется.

Другой элемент, который должен обязательно присутствовать в схеме аккумулятора — BMS-контроллер (Battery Management System), отвечающий за корректную и сбалансированную зарядку ячеек аккумулятора.

Li-ion аккумуляторы при высокой удельной емкости обладают малым весом. Для их зарядки нужно не так уж много времени. У них практически отсутствует эффект памяти и саморазряд. К аккумуляторам литий-ионного типа не предъявляется особых требований к соблюдению циклов заряда/разряда. Заряжать их можно в любое удобное время, не привязываясь к величине остаточного заряда элемента. Хранить Li-ion батареи рекомендуется наполовину заряженными.

Самым существенным недостатком литий-ионного элемента является его категорическое «нежелание» полноценно работать при отрицательных температурах. Эксплуатация литиевого элемента на морозе очень быстро приблизит его выход из строя.

Глава 2. Практическая часть

Подготовка оборудования

Для проведения опыта нам потребовалось лимонный сок, вода ( для создания нужной концентрации), контейнер ( для удобного смешивания воды и сока), 2 вида металлов, а именно медь и цинк (для того, что бы происходила химическая реакция), мензурка (для более точного измерения жидкостей).

Опыт

Ход работы

В нашем эксперименте мы будем находить такую концентрацию воды и лимонного сока которая даст максимальное напряжение

первое что мы сделали это отмерили 10мл сока и вылили в контейнер, затем отмерили 100мл воды и тоже вылили в контейнер, после этого мы всё чательно перемешали и получив концентрацию 1/10 опустил медную и цинковую пластинку как показано на рисунке и мультиметром измерили напряжение и записали показания в листок.

Для создания концентрации 2/10мы просто добавили к нашему раствору ещё 10мл сока и сделали всё тоже самое что и в первый раз.

Для более точных измерений нам нужно сделать так ещё несколько раз

Ещё мы замерили напряжение у лимонной кислоты без воды

Вывод:

Из таблицы и графика мы можем сказать что напряжение которое начинается с концентрации лимонного сока 8/10 хватит что бы запитать фонарик

Заключение

В заключении хотим сказать, что в результате проведения исследования мы выполнили все поставленные задачи, а именно:

изучили литературу по данной теме

изучили принцип работы столба Вольта

создали установку для проведения опыта

проанализировали результаты опыта

также провели исследование зависимости напряжения, создаваемого аккумулятором, от концентрации лимонного сока в растворе. А именно выяснили ,что чем выше концентрация лимонного сока в растворе тем выше напряжение

Список используемых источников

Большая советская энциклопедия-Аккумулятор:

https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/62227

Википедия-вольтов столб:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%82%D0%BE%D0%B2_%D1%81%D1%82%D0%BE%D0%BB%D0%B1

Клуб ДНС-Какие бывают аккумуляторы в мобильной, и компьютерной и jjjjjjбытовой техники:

https://club.dns-shop.ru/blog/t-331-batareiki-i-akkumulyatoryi/39937-kakie-byivaut-akkumulyatoryi-v-mobilnoi-komputernoi-i-byitovoi-te/?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F