XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Устройсво для сбора остаточной энергии использованых батареек.Утилизация батареек

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Вахитов С.А. 1Сазонов Н.Е. 1Зимнев Р.В. 1Меркурьев К.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

872.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В России ежегодно выбрасываются около 20 тысяч тонн бытовых батареек. По мере использования они начинают разряжаться и когда значение напряжения опускается ниже 60%, этого становиться недостаточно для питания значительной части электроприборов.  

Как правило батарейки после этого утилизируются, однако в них еще остается потенциально полезная электроэнергия.

Из этого следует проблема нерационального использования энергетических ресурсов при утилизации батареек типа АА. Данная проблема привлекает внимание к вопросам экологии и энергосбережения.

Цель: создание устройства для выкачивания остаточного заряда из использованных батареек

Задачи:

Изучить строение батарейки

Изучить способы соединения батареек

Исследовать какой вред батареек для человека и природы

Провели эксперимент, измерив напряжении с мульти метром при разном напряжении

Изучить способы утилизации

Создать систему выкачивания энергии с помощью светодиода.

Создать портативный внешний аккумулятор
из использованных батареек

Встреча с экспертами

Посетить экскурсию в СУЭНКО

Глава 1. Вред батарейки

Вред батареек заключается в следующем:

Элементы питания включают в себя опасные вещества, магний, ртуть, олово, свинец, никель, цинк, кадмий, которые способны аккумулироваться в организме вызывая болезни.

Отработанные источники питания при сжигании выделяю специфические газы диоксины, отравляющие людей.

Батареи могут взрываться и приносить не малый ущерб.

Неправильное использование в случае замыкания чревато ожогами.

Схема вреда и как распространяются вредные вещества из батареек

Выкинутый на землю источник питания погружается в грунт. Там начинает разлагаться, и содержащиеся вредные вещества выходят из нее наружу, а точнее тяжелые металлы и щелочи. Они проникают еще глубже и доходят до грунтовых вод. Вместе с грунтовыми водами токсические вещества попадают в реки. (Рисунок 1.1., Приложения)

Отравленная почва не позволяет растениям жить и обогащать нашу планету кислородам. Она становится бесплодной. Подобный урон земле приходится ликвидировать десятилетиями. Соли тяжелых металлов проникают в почву, дальше часть из них просачивается в грунтовые воды. Они несут всю химию прямо в реки. (Рисунок 1.2., Приложения) [1]

В момент сжигания, источники электроэнергии наносят еще один ущерб. Они выделяют ядовитые вещества, которые поступают в облака. Ну а дальше эти химикаты выпадают в виде осадков, и происходит загрязнение. Вред экологии наноситься колоссальный. Вся флора и фауна от подобного воздействия сильно страдает.

Вред батареек для человека

Отработавшие источники электричества, не только губят окружающую среду, но и людей.

Вред для человека заключается в том, что свинец, содержащийся в аккумуляторном элементе, повреждает почки. Так же страдают кости и нервная ткань. Иногда гибнут клетки крови эритроциты.

Кадмий выводит из строя легкие и наносит некоторый ущерб почкам.

Такой тяжелый металл как ртуть поражает буквально каждый орган. Она разрушает дыхательную систему, проникает и губит опять же почки и нервную систему. Так же под действием ртути нарушается пищеварение.

Цинк с никелем ведут к мозговым нарушениям и разрушают поджелудочную железу. Кроме этого их воздействие способно повредить кишечник. А от этого страдает весь наш организм.

Выброшенная в мусорное ведро батарея это мина замедленного действия. Как только стаканчик начнет разлагаться, мир получит новую порцию яда.

Цилиндрический источник электричества может нанести не поправимый вред здоровью и вызвать как онкологические заболевания, так и расстройство репродуктивной функции. Изначально трудно заметить какие-либо изменения. Но стечением времени мелкие источники питания могут дать о себе знать. Ведь они способны накапливаться в организме. Поэтому выброшенные в мусорное ведро источники энергии не к чему хорошему не приведет.[2]

Глава 2. Методы утилизации батареек

Люди собирают отработанные источники энергии для спасения природы от загрязнения.

Большинство людей уверены в том, что их нужно выкинуть в мусорное ведро, но это не так. Источники питания требуют специализированной утилизации. Их ликвидация равносильна люминесцентным лампам, которые нужно сдавать в специальные пункты и еще доплачивать. Но к счастью гальванические элементы принимают бесплатно!

Либо приобрести специализированные. На второй картинки, изображены коробочки, которые стоят около 90 рублей. Хранение использованных батареек выполняется до момента, когда кейс заполнится. После, использованные батарейки можно выбросить в специальную урну, находящуюся в супермаркете. Обычно там нарисован источник питания и стоит экологический значок Утилизация в России

Правила утилизации батареек в домашних условиях

Основные рекомендации простым гражданам по утилизации аккумуляторов и других источников питания:

Поместите элементы в плотный целлофановый пакет, пластиковую бутылку или емкость с плотно закрывающейся крышкой.

После того как тара будет заполнена, а это обычно бывает лет через 10, отнесите их в пункт приема.

Выбросите их в специальную урну.

На этом вся утилизация в домашних условиях завершена.[3]

Сейчас (2020-е) в РФ накапливается около миллиарда солевых и щелочных батареек (а также и аккумуляторы), но перерабатывается не более 3 %.

Проблема утилизации отработавших свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (ОСКАБ) привлекла внимание российских властей. Постановлением Правительства Московской области от 24 августа 2004 г. № 522/31 утверждена программа Правительства Московской области «Сбор и переработка свинцово-кислотных аккумуляторов и свинец содержащих отходов на территории Московской области на период 2004—2010 годов».
В Москве действует пункт приёма аккумуляторов от населения и организаций при заводе по переработке.

Ситуация со сбором и утилизацией автомобильных аккумуляторов в России находится на стадии постепенной легализации. Это связано с отсутствием в действующем законодательстве необходимой нормативной базы — работа со свинец содержащими отходами требует соответствующих классу опасности лицензий, в том числе на транспортировку, но далеко не все организации, которые занимаются приёмом, производят это легально. Опасность заключается в том, что нелегальные пункты сбора принимают батареи только со слитым электролитом, чем вынуждают население сливать экологически вредную кислоту самостоятельно. Пункты приёма, которые имеют лицензию, выдают справку об утилизации как организациям, так и частным лицам [4]

Существуют специальные переработчики батареек. Этапы:

Закидываем пальчиковые батарейки в печь.

Битумные изоляторы и обертки разлагаются до углеводородов. Летучие вещества выгорают на свече.

Электролит возгоняется и конденсируется в специальной холодильной установке с водой. Он растворяется в ней.

Кадмий и цинк испаряются и кристаллизуются.

Из оксидов марганца получается марганцевый концентрат.

В остатке остается графит, который отделяют примеси марганца. (Рисунок 2.1, Приложения)

Подобная технология по сравнению со всем остальным достаточно дешево внедряется. Ее стоимость равна 45 миллионов рублей. Установка достаточно экономная в плане энергии. Затраты на 1 тонну батареек составляют 2000 кВт/ч. Оборудование не несет вреда природе.

Подобная технология утилизации батареек позволяет быстро и дешево получить желаемое сырье! [5]

Глава 3. Экскурсия в СУЭНКО

В 2002 году было создано ОАО «Сибирско-Уральская энергетическая компания». Тюменская область одна из первых приступила к масштабному реформированию коммунальной энергетики.

Акционерное общество «Сибирско-Уральская энергетическая компания» – межрегиональная многопрофильная компания, входит в группу компаний ООО «Корпорация СТС». СУЭНКО является крупнейшим инвестором в сфере электроэнергетики юга Тюменской области и всего Зауралья. Энергокомпания была создана в 2002 году.

Общая протяженность электрических сетей СУЭНКО составляет более 36 тысяч километров, на балансе находится более 11 тысяч объектов электросетевого хозяйства (подстанций и распределительных пунктов). В сфере тепло-водоснабжения и водоотведения компания обслуживает 790 км. теплоых сетей, 370 км. сетей водопровода, 1 водозабор, 230 км. сетей канализации и 7 комплексов очистных сооржений канализации.

Территория присутствия энергокомпании: Тюмень, Тобольск, Ишим, Заводоуковск, Ялуторовск, Уват и ближайшие к ним муниципальные районы, 24 района Зауралья, включая города Курган и Шадринск. Основные виды услуг, оказываемые предприятием: транспорт электрической энергии, технологическое присоединение, техническое обслуживание, передачаи транспортировка тепловой энергии, водоснабжение и водоотведение.

АО «СУЭНКО» активно взаимодействует с высшими и средними специальными учреждениями Тюменской и Курганской областей, в том числе с опорным вузом тюменского региона – Тюменским Индустриальным университетом, с целью подготовки квалифицированных кадров для компании. «СУЭНКО» организует проведение производственных и преддипломных практик для выявления наиболее подготовленных обучающихся с последующим приемом на работу.

Численность персонала компании составляет свыше 4700 человек. Возглавляет АО «СУЭНКО» Данил Иванович А. Директором группы компаний «Корпорация СТС» и председателем совета директоров АО «СУЭНКО» является Николай Викторович К.

СУЭНКО несколько лет выступает партнером таких конкурсов, как «Лидеры 72», «Будущая инженерная элита», CASE-IN, фестиваль профессий «Билет в будущее» в Тюменской области, региональных этапов WorldSkills Russia в Курганской и Тюменской областях.

Экскурсия в СУЭНКО

На экскурсии мы узнали про главные машины: генератор, трансформатор. Узнали, что ток передаётся в дома по ЛЭП по воздуху и кабелями под землей. (Рисунок 3.1, Приложения)

Узнали про электромеханические и элекронные реле для безопасной передачи электроэнергии. Увидели костюм специалиста по работе с ЛЭП. НА учебном полигоне экскурсоводы рассказали про учебные установки высоковольтных ЛЭП, огромные трансформаторы, станции по обслуживанию. (Рисунок 3.1, Приложения)

Утилизация батареек в СУЭНКО

Два дня в рамках чемпионата рабочих профессий WorldSkills Russia — 2017 энергетики принимали отработавшие батарейки и люминесцентные лампы. Собрано более 50 кг батареек и 700 ламп. Организаторы «Присоединяйся к СУЭНКО — береги планету!» благодарят всех участников акции за вклад в дело сбережения окружающей среды и заботу о будущем нашей планеты.

Энергетики уверены, что высказывание Экзюпери: «Мы не наследуем Землю родителей, мы одалживаем ее у наших детей» для большинства горожан не просто слова, они находят отклик в сердцах и сделают неотъемлемой частью жизни тюменцев философию бережного отношения к природе и энергоресурсам.

Глава 4. Практическая часть

4.1. Создание фонарика

Мы решили попробовать схему разряжения батареек с помощью светодиода, потому что он потребляет очень мало энергии. Мы разработали с схему. (Рисунок 4.1.1, Приложения)

Для схемы нам потребовались:

Ферритовое кольцо

Транзистор,

Резистор,

Светодиод, Севшая батарейка,

изолированный провод

Паяльник с припоем.

Мы разобрали энергосберегающею лампочку, так как в ней находится большая часть нужных деталей

Из лампочки мы взяли следующие элементы:

Транзистор

Ферритовое кольцо

Далее мы начертили схему:

Намотали провода на ферритовое кольцо. После этого мы разобрали оборванный привод и вытащили из него 2 маленьких провода и уже сделали 16 мотков и нам подошёл по размеру. После чего спаяли по схеме.

4.2. Создание портативного устройства

Вначале мы для создания устройства использовали отсек для батареек с последовательным соединением модели Um-3 x 8 рассчитанный на 8 батареек типа AA. (Рисунок 4.2.1, Приложения) Вместе с ним мы использовали модуль понижающего преобразователя модели KIS-3R33S. (Рисунок 4.2.2, Приложения) Но со временем схема перестала работать из-за плохого соединения контактов. Мы заменили старый отсек на отсек модели KLS5-816-B (FC1-5122) после этого всё заработало. (Рисунок 4.2.3, Приложения)

DC DC преобразователи нужны для работы разнообразной электронной аппаратуры, управляющих схем, устройств коммуникации, вычислительной техники, автоматики, мобильных гаджетов и других приборов. Принцип работы DC DC преобразователей заключается в изменении выходного напряжения, причем возможно как его увеличение, так и уменьшение по отношению к значению напряжения на входе – в зависимости от используемого источника питания и напряжения, потребляемого прибором.

Также они бывают разных типов:

Понижающие (альтернативные названия – buck, chopper, step-down). Обычно имеют Uвых<Uвх. Без весомых затрат на нагревание регулирующего транзистора удается обеспечить Uвых в несколько единиц вольт при значениях Uвх=12–50 В. У подобных моделей Iвых зависит от потребления устройства и влияет на схему DC DC преобразователя. (Рисунок 4.2.4, Приложения)

Повышающие (альтернативные названия – boost, бустеры, step-up). Имеют Uвых˃Uвх. К примеру, при Uвх=5 В удается получить Uвых до 30 В, с возможностью его высокоточной регулировки и стабилизации. (Рисунок 4.2.5, Приложения)

Универсальные (SEPIC). Имеют Uвых, удерживаемое на фиксированном уровне. При этом есть возможность получить и Uвых<Uвх, и Uвых˃Uвх. Изделия этой группы рекомендуется использовать при напряжении на входе, меняющемся в больших диапазонах. В частности, напряжение автомобильного аккумулятора способно меняться в диапазоне от 9 до 14 В, а на выходе нужно иметь стабильное значение 12 В. (Рисунок 4.2.6, Приложения)

Инвертирующие (inverting converter). Главная задача таких устройств – получение Uвых обратной полярности по отношению к источнику питания. Они оптимально подходят для использования в ситуациях, когда нужно 2-полярное питание, к примеру, для питания операционных усилителей. (Рисунок 4.2.7, Приложения)

Принцип работы понижающего преобразователя:

Как видно по функциональной схеме DC DC преобразователя класса buck, на входе Uin поступает на фильтр – расположенный здесь конденсатор Cin. Коммутацию тока на высоких частотах выполняет транзистор VT. Дополнительно в функциональной схеме предусмотрен разрядный диод VD и расположенный на выходе фильтр LCout. С него напряжение идет в нагрузку Rн, которая подсоединена последовательно к элементам VT и L. (Рисунок 4.2.8, Приложения)

Далее мы преступили к созданию кейса. Трехмерная модель была разработана в системе «Компас – 3D». (Рисунок 4.2.9, Приложения)

Для печати мы использовали принтер модели Flying Bear Ghost. Кейс состоит из двух частей. В первую часть размещается схема с батарейным отсеком, вторая часть закрывает кейс, вставляясь в специальные прорезы первой части. Также кейс оснащен отверстием под USB вход.

4.3. Встреча с экспертами. Реализация идеи в общественных местах

В рамках нашего проекта мы встретились с экспертами:

Алексей Николаевич П., кандидат химических наук, доцент кафедры переработки нефти и газа, эксперт РКЦ

Игорь Товьевич, В. директор ООО «Смарт Системз Тюменской области», сфера деятельности: системы Умный дом, энергосбережение, светодиодное освещение от квартиры до города

Им очень понравился наш проект и они посоветовали нам

Провести расчёты на основе школы, чтобы вычислить сколько энергии мы можем получить если каждый принесёт одну батарейку

Создать макет установки в общественных местах

Реализация идеи в общественных местах

После создания устройства мы приступили к разработке модуля, который позволит воспользоваться нашей разработкой в общественных местах. Мы нарисовали схему бедующего модуля (Рисунок 4.3.1, Приложение). Он состоит из двух частей: пункт забора энергии и ящик с полностью разряженными батарейками. Батарейки будут скатываться по пандусу и попадать в отсек, где они будут разряжаться. Внутри также находится аккумулятор. Рядом будут находиться небольшие шкафчики запираемые на ключ где вы можете оставить заряжаться свой телефон. Батарейку сможет сдать каждый и по желанию может зарядить телефон. В нём предположительно он будет вмещать в себя более сотни батареек за раз, что позволит полностью разрядить их. После разряжения они будут падать в контейнер, а после отвозиться на переработку. Мы создали небольшую демонстрационную модель из “Лего” и поместили туда наше устройство и наружу протянули зарядник для телефона(рисунок 4.3.2, Приложение).

Список используемых источников

https://ngofeec.ru/2022/01/11/vred-batareek-dlya-okruzhayushhej-sredy-i-cheloveka/

https://tgl.ru/structure/department/othod_batar

https://ngofeec.ru/2022/01/11/utilizatsiya-batareek-v-rossii-i-skolko-eto-stoit/

https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-sostoyaniya-pererabotki-elektronnogo-loma-v-rossii

https://musormaster.ru/utilizacia-batareek-sbor-i-pererabotka-akkumulatornyh-batarej/

Приложения