XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Устройство для сбора остаточной энергии использованных батареек. Как работает батарейка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Нестеренко А.А. 1Гатауллин А.Т. 1Притула Д.Е. 1Перепелица Б.П. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1 MB

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. Строение батарейки

В состав батареи входят следующие элементы:

1.Катод – это отрицательный полюс. электрод некоторого прибора, присоединённый к отрицательному полюсу источника тока. В электрохимии катод — электрод, на котором происходят реакции восстановления. Например, при электролитическом рафинировании металлов ( меди, никеля и пр .) на катоде осаждается очищенный металл.

2.Вкладыш служит некой прокладкой

3.Диафрагма куполообразная структура, состоящая из мышц и фиброзной ткани, которая отделяет грудную полость от брюшной полости. Купол диафрагмы направлен вверх. Высшая поверхность купола образует дно грудной полости, а нижняя образует верх брюшной полости. Как купол, диафрагма имеет периферические вложения к структурам, которые создают брюшину и стенку груди. Мышечные волокна, сходясь от этих вложений, образуют центральное сухожилие, которое формирует гребень диафрагмы. Его (гребня) периферическая часть состоит из мышечных волокон, которые берут начало от нижнего грудного отверстия и также сходятся в центральную жилу.

4.Футляр.

5.Электролит – жидкость вследствие которой идет химическая реакция. вещество, которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, что происходит в растворах и расплавах, или движения ионов в кристаллических решётках твёрдых электролитов. Примерами электролитов могут служить кислоты, соли и основания и некоторые кристаллы (например, иодид серебра, диоксид циркония ).

6.Стержень сделанный из угля.

7.Крепежная шайба. Шайбапредставляетсобой крепежную деталь, имеющую отверстие и подкладываемую под шляпку стержневого соединительного элемента – винта/болта –, либо под гайку.

8.Анод или положительный полюс. Электрод некоторого прибора, присоединённый к положительному полюсу источника питания. Электрический потенциал анода положителен по отношению к потенциалу катода (кроме гальванических элементов). АНО'Д, а, м. [греч. anodos — восхождение] (физ.). Положительный электрод, противоп. катод.м (Рисунок 1.1, Приложения) [1]

Глава 2. Принцип работы батарейки

Принцип работы батарейки заключается в простой химической реакции, которая происходит обычно между тремя элементами. В результате, реагирования веществ между собой, получается электрический ток. Это если говорить кратко.

Три ключевых объекта:

Анод “+”

Катод “-“

Электролит

Анод или положительный полюс служит источником электронов. Обычно его изготавливают из цинка. Два электрода заставляет взаимодействовать между собой электролит. В качестве электролита выступает обычно соль, хлорид аммония или щелочь. Он может быть в сухом и жидком виде. Чтобы сделать густым это вещество производители добавляют полимерные соединения. Некоторые используют крахмал.(Рисунок 2.1,Приложения) [1]

Глава 3. Параллельное и последовательное соединение батареек

Последовательное соединение

При последовательном подключении аккумуляторы соединяются в цепочку разноименными выводами. Плюсовая клемма одной банки соединяется с минусом другой, минусовая клемма с плюсом третьей. Так можно соединить любое количество элементов, чтобы получить необходимое напряжение, которое снимается со свободных клемм крайних звеньев.

В последовательно-дополняющей схеме положительный вывод первого элемента питания соединяется с отрицательным выводом второго элемента питания; положительный вывод второго элемента питания соединяется с отрицательным выводом третьего элемента питания и т.д. будет равна емкости одной банки. Для обеспечения достаточного напряжения и приемлемого времени работы электроприборов часто используют аккумуляторные батареи, у которых аноды и катоды отдельных элементов (секций) последовательно соединяются между собой проводниками. Анод и катод крайних источников питания получившейся сборной батареи являются ее общими плюсом и минусом. У АКБ из последовательно соединенных элементов результирующее напряжение равно сумме вольтажей использующихся источников тока. Результирующая емкость полученной батареи равна той, которую имеет самый слабый из присоединенных АКБ. При эксплуатации такой сборки через каждый элемент течет одинаковый ток (как при заряде, так и при разряде).Если в сборке будут использоваться элементы с разной емкостью, то у тех из них, которые имеют меньшую емкость, будет более высокое внутренне сопротивление по сравнению с другими. Падение напряжения на них будет больше, что приведет к быстрому разряду самого слабого элемента в процессе работы. Более мощные аккумуляторы сборки при этом еще будут работоспособны, и сборка будет эксплуатироваться дальше. Это приведет к сильному разряду самого слабого аккумулятора, что уменьшит его ресурс и емкость. При заряде такой сборки самый слабый аккумулятор зарядиться раньше других элементов, но из-за того, что остальные еще не зарядились, через него будет продолжать течь зарядной ток, который приведет к перезаряду и перегреву. Это особенно опасно для АКБ, которые содержат соединения лития из-за их повышенной чувствительности к перезаряду и сильному разряду. (Рисунок 3.1, Приложения)

Параллельное соединение

При таком соединении плюсовые клеммы аккумуляторов поочередно соединяются между собой. Минусовые клеммы также соединяются поочередно между собой.

В случае такого соединения напряжение системы остается неизменным, при этом емкость Банка Аккумуляторов является суммой всех соединенных параллельное аккумуляторов.

Напряжение на выходе батареи не меняется емкость увеличивается в два раза. При параллельном соединении, положительную клемму одного аккумулятора соединяют с положительной клеммой другого, затем соединяют между собой отрицательные клеммы и подключают к нагрузке. Напряжение батареи параллельно соединенных аккумуляторов не меняется, а емкость равняется сумме емкостей соединенных аккумуляторов. Источники питания включают по последовательно-параллельной схеме для увеличения, как тока, так и напряжения. При этом основываются на том, что параллельное включение увеличивает силу тока, а последовательное увеличивает общее напряжение.

В случае параллельного соединения источника с большим напряжением малой емкости к элементу большей емкости, но с меньшим напряжением происходит электрическое замыкание слабого АКБ через меньшее внутреннее сопротивление сильного. Из-за этого в слабом источнике протекает сильный ток, который приводит к его постепенному разрушению. В случае высокого вольтажа на аккумуляторе большей емкости происходит форсированный заряд слабого элемента, что также сказывается на нем губительно. Исходя из этого, перед сборкой батареи рекомендуется выравнивать напряжения каждого ее элемента до одинакового значения.

При последовательном подключении аккумуляторы соединяются в цепочку разноименными выводами. Плюсовая клемма одной банки соединяется с минусом другой, минусовая клемма с плюсом третьей. Так можно соединить любое количество элементов, чтобы получить необходимое напряжение, которое снимается со свободных клемм крайних звеньев. Емкость цепочки

В последовательно-дополняющей схеме положительный вывод первого элемента питания соединяется с отрицательным выводом второго элемента питания; положительный вывод второго элемента питания соединяется с отрицательным выводом третьего элемента питания и т.д. будет равна емкости одной банки. Для обеспечения достаточного напряжения и приемлемого времени работы электроприборов часто используют аккумуляторные батареи, у которых аноды и катоды отдельных элементов (секций) последовательно соединяются между собой проводниками. Анод и катод крайних источников питания получившейся сборной батареи являются ее общими плюсом и минусом. У АКБ из последовательно соединенных элементов результирующее напряжение равно сумме вольтажей использующихся источников тока. Результирующая емкость полученной батареи равна той, которую имеет самый слабый из присоединенных АКБ. При эксплуатации такой сборки через каждый элемент течет одинаковый ток (как при заряде, так и при разряде).Если в сборке будут использоваться элементы с разной емкостью, то у тех из них, которые имеют меньшую емкость, будет более высокое внутренне сопротивление по сравнению с другими. Падение напряжения на них будет больше, что приведет к быстрому разряду самого слабого элемента в процессе работы. Более мощные аккумуляторы сборки при этом еще будут работоспособны, и сборка будет эксплуатироваться дальше. Это приведет к сильному разряду самого слабого аккумулятора, что уменьшит его ресурс и емкость. При заряде такой сборки самый слабый аккумулятор зарядиться раньше других элементов, но из-за того, что остальные еще не зарядились, через него будет продолжать течь зарядной ток, который приведет к перезаряду и перегреву. Это особенно опасно для АКБ, которые содержат соединения лития из-за их повышенной чувствительности к перезаряду и сильному разряду.( Рисунок 3.2, Приложения) [3]

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 FlyingBearGhost. 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).

Заключение

Мы узнали, что батарейки выбрасываются, не выдав энергию до конца, так как остаточной энергии не хватает для работы электроприборов.

Мы изучили устройство, и принцип работы батарейки, после чего создали фонарик, который забирает остаточную энергию у батарейки.

В ходе исследования мы узнали, что батарейки можно соединять последовательно и параллельно, исходя из этого нам пришла идея - создать портативное зарядное устройство из разряженных батареек.

В нашей модели используется отсек на 8 батареек, учитывая, что для заряда телефона требуется 5 вольт, наша модель позволяет разрядить батарейку до 0,6. Для вывода энергии мы использовали модуль понижающего преобразователя с USB разъемом. Для удобства использования мы доработали нашу модель - распечатали кейс для хранения на 3D принтере.

Также нами был разработан макет для использования установки в общественных местах. Принцип работы: люди сдают батарейки в специальные боксы, откуда могут получить в дальнейшем заряд.

Мы создали опрос, в котором 49 процентов ответили, что утилизируют батарейки, а 51 процент хранит дома, а то и вообще выбрасывает. Установка подобных систем, является отличной мотивацией правильной утилизации батареек.

Установка выкачивания остаточного ресурса из использованных батареек является выгодным решением в области:

1. Энергосбережения. Повышает эффективность использования энергии и экономное расходование ресурсов.

2. Экологии. Снижает общее количество выбрасываемых батареек.

Список используемой литературы

https://batareykaa.ru/ustrojstvo-batarejki-palchikovoj-krugloj-krony-telefona/

https://www.solarhome.ru/biblio/accu/batteries-connection.htm

https://advanced-power.ru

https://batareykaa.ru/printsip-raboty-batarejki/

Приложения