XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Необычные источники электрической энергии. Овощные и фруктовые батарейки. Ветрогенератор
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение. Актуальность, цели и задачи.
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Это связано с растущей необходимостью охраны окружающей среды и истощением ископаемых природных ресурсов.
Когда запасы традиционных источников энергии, таких как нефть, газ и уголь, неумолимо уменьшаются и их стоимость достаточно высока, а использование приводит к образованию парникового эффекта на планете, все большее количество стран в своей энергетической политике, обращают свои взоры в сторону альтернативных источников энергии.
Индийские ученые работают над созданием необычных батареек для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии. Внутри этих батареек используется паста из бананов и апельсиновых корок. Одновременное действие четырех таких батареек позволяет запустить стенные часы, а для ручных часов хватит одной такой батарейки.
Компания Sоnу представила батарейку, работающую на фруктовом соке. Если «заправить» такую батарейку 8 мл сока, то она сможет проработать в течение одного часа. Применяться новинка может в плеерах, мобильных телефонах. А группа ученых из Великобритании создала компьютер, источником питания для которого является картошка. Питается это устройство 12 картофелинами, которые меняются каждые 12 дней.
Зачем люди тратят время на создание «фруктовых» батареек, ведь уже создано большое разнообразие элементов питания? Ответ очевиден. Мы часто покупаем элементы питания для игрушек, часов, фонариков, телефонов. На это расходуются денежные средства.
Может быть, можно заменить дорогие гальванические элементы самодельными фруктовыми и овощными батарейками, тогда будет экономия.
И во время отключения дома электричества, можно некоторое время освещать его при помощи лимонов!
Оказывается, если в любой фрукт или овощ воткнуть два электрода различных металлов, то за счет химических реакций, происходящих между соком и металлами, на электродах появится напряжение. Этот ток будет слишком малым, но если собрать батарейку из нескольких фруктов или овощей, то его будет достаточно, чтобы заработали небольшие электронные часы, или загорелась небольшая лампочка. В экстренной ситуации такая батарейка может пригодиться, чтобы подзарядить мобильный телефон или фонарик, или чтобы работали электронные часы.
Как следствие энергетической политики в России - места, где подключение к существующим сетям дороже ветроэнергетического проекта или доставка дизельного топлива обходится дорого, применяют ветряные генераторы. Это открытые территории с хорошим потенциалом ветра, поля, острова, мелководье, горы.Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема.
Ветряные генераторы - это генераторы электрической энергии, предназначенные для превращения энергии ветра в электрическую энергию.Работает ветряной генератор довольно просто:
- Набегающие потоки ветра на высоте башни ветряного генератора - от 40 до 100 метров вращают лопасти ветряного генератора, с помощью которого вырабатывается электрический ток.
Удивительно, но, ветряной генератор может зарядить мобильный телефон или электромеханические часы!
Мне интересно, возможно ли самостоятельно изготовить нетрадиционные источники энергии, с помощью которых могут работать электрические приборы. Каждый может почувствовать себя исследователем, организовав дома или в классе лабораторию, используя подручные средства, провести опыты. Мне нравится проводить эксперименты. Для меня данная тема интересна. Она важна в жизни людей.
Цели работы:
Проверить возможность получения источников питания из фруктов и овощей.
Познакомиться с принципами и способами получения электрической энергии на использовании энергии ветра.
Задачи:
1. Познакомиться с принципом работы батарейки.
2. Создать фруктовые и овощные батарейки.
4.Рассмотреть существующие разновидности ветряных генераторов.
5.Рассмотреть основные элементы ветряного генератора и физические основы его работы.
6. Изготовить модель ветряного генератора из доступных материалов и деталей.
Батарейка – это источник питания, который вырабатывает электричество под действием химического процесса.
Первый источник электрического тока был изобретен в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани. Опыты Гальвани стали основой исследований другого итальянского ученого – Алессандро Вольта. 200 лет назад он сформулировал главную идею изобретения. Причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения своей теории Вольта создал устройство из двух пластин металла (цинк и медь) и кожаной прокладки между ними, пропитанной лимонным соком. Алессандро Вольта выявил, что между пластинами возникает напряжение. Именем этого ученого назвали единицу измерения напряжения, а его фруктовый источник энергии стал прародителем всех нынешних батареек, которые в честь Луиджи Гальвани называют теперь гальваническими элементами.
Таким образом, гальванический элемент (батарейка) — это источник электричества, который основан на химическом взаимодействии некоторых веществ между собой.
Ныне в магазинах можно увидеть большое количество батареек. Батарейки бывают разнообразной формы и размеров. Некоторые – маленькие как таблетка, или тонкие, как карточка. Некоторые – величиной с холодильник. Несмотря на внешние существенные отличия, устройство батарейки любого типа имеет общие черты и принципы. Различия могут быть только в составе химических веществ, с помощью которых выделяется электрическая энергия.
В батарейках создается электрический заряд в результате реакции между двумя химическими веществами, в ходе которой электроны передаются от одного из них к другому.
У любой батарейки есть положительный полюс (катод), отрицательный полюс (анод) и электролит, который может быть сухим или жидким.
Многие гальванические элементы могут быть использованы только один раз. Они производятся на заводе, разряжаются в процессе использования и затем выбрасываются. Сейчас наиболее популярны перезаряжаемые батарейки, называемые аккумуляторами.
Энергию ветра человечество научилось использовать давно. В Древнем Египте за три с половиной тысячи лет до нашей эры применялись ветряные двигатели для подъема воды и размола зерна. За пятьдесят с лишним веков ветряные мельницы почти не изменили свой облик. Например, в Англии имеется мельница, построенная в середине XVII в. Несмотря на свой преклонный возраст, она исправно трудится и ныне. В России до революции насчитывалось приблизительно 250 тыс. ветряных мельниц, общая мощность которых составляла около 1,5 млн. кВт. На них размалывалось до 3 млрд. пудов зерна в г од.
Персидская ветряная Греческая ветряная
мельница мельница Ветряная мельница
Эдмунда Ли
С появлением ветряных мельниц, была облегчена одна из самых тяжелых крестьянских работ - вращение тяжелых каменных жерновов, перетирающих зерно в муку. Теперь это делал ветер, крутя крылья мельницы. Одна из первых ветряных мельниц была найдена в Персии - в ней крылья были насажены на ту же ось, что и жернова. Всем была хороша персидская мельница, но вот беда - она могла работать лишь при сильном устойчивом ветре. Когда его порывы стихали, вращать жернова приходилось по старинке - с помощью быков, а то и рабов. И вот, приблизительно шестьсот лет назад, началось строительство мельниц башенного типа с огромными крыльями, расположенными горизонтально к поверхности земли. Одна из первых таких мельниц появилась в Голландии, издавна славившейся изобретательными мастерами. В 1745 году некий Эдмунд Ли осчастливил мельников изобретением нового типа крыльев - деревянных каркасов, обтянутых материей. Выдумка оказалась настолько удачной, что применяется в ветряных мельницах и сейчас.
Ветряные мельницы оказались прекрасными источниками даровой энергии. Неудивительно, что со временем их стали использовать не только для размола зерна. Ветряки вращали дисковые пилы на больших лесопилках, поднимали грузы на большие высоты, использовались для подъема воды. Наряду с водяными мельницами они оставались, практически, самыми мощными машинами прошлого. В той же Голландии, например, где ветряков было больше всего, они успешно работали до середины нашего века. Часть их действует и в настоящее время. Что интересно, мельницы в средневековье вызывали у некоторых суеверный страх - настолько непривычными были даже простейшие механические приспособления. Мельникам приписывали общение с нечистой силой. Время шло, и люди все чаще задумывались о ветре как об источнике бесплатной энергии. Наступил такой этап развития технологии, когда стали строить электрогенераторы. И в Дании в 1890 году построили первый ветряной генератор для производства электричества. Ветряные генераторы устанавливались в труднодоступных местах, куда было неудобно или невыгодно передавать ток с обычных электростанций. В конце концов, ветряные турбины стали давать четверть всей нужной датской промышленности энергии. Между 1920 и 1930 годами ветряные генераторы стали появляться в Австралии и США. В 1937 году в Крыму была построена крупнейшая в мире, как говорили тогда, ветроэлектрическая станция. Она действительно была внушительных размеров, но ток, который ветряной генератор давал в электрическую сеть Севастополя, мощностью своей не превышал 100 кВт.
Ветряной генератор в Калифорнии
Типы ветряных генераторов.
Разработано большое количество ветряных генераторов. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ветряные генераторы могут быть классифицированы следующим образом:
• с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока;
• с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра (подобные водяному колесу);
• с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока
Ветряные генераторы с горизонтальной осью вращения
Ветряные генераторы с вертикальной осью вращения с использованием силы сопротивления и подъемной силы
Ветряные генераторы других типов
Компоненты ветряной установки.
1 – Лопасти
2 – Электрический генератор
3 - Мачта
К основным компонентам системы, без которых работа ветряка невозможна, относят следующие элементы:
- Генератор - Генератор необходим для выработки электрического тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра.
- Лопасти - приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра.
- Мачта - обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует - чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот.
Список дополнительных необходимых компонентов:
- Контроллер - управляет многими процессами ветряной установки, такими, как поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором в постоянный ток для заряда аккумуляторных батарей.
- Аккумуляторные батареи - накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им получают стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Питание объекта идёт от аккумуляторных батарей.
- Инвертор - преобразовывает из постоянного тока, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный ток, который потребляет большинство электроприборов.
Ветер раскручивает ротор. Выработанное электричество подаётся через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразует напряжение на контактах аккумулятора в напряжение, пригодное для использования.
Практическая часть. Батарейка своими руками.
Для изготовления батарейки из овощей и фруктов нам понадобятся:
Овощи, фрукты, цинковые гвозди, медные гвозди или отрезки медной проволоки, провода с зажимами, светодиод, мульти метр.
На примере картофеля рассмотрим, как и что следует делать.
В картофель необходимо воткнуть гвоздь и медную проволоку.
Далее следует зажимами присоединить провода к гвоздям. Свободные концы провода присоединяются к устройству измерения (в нашем случае — это мульти метр), которое и показывает напряжение, возникающее на концах проводника.
Получившаяся батарейка из картофеля – это однозарядная батарейка. Она работает так же, как батарейки, вставленные в фонарик.
Картофельный сок в такой батарейке выступает в качестве электролита, медная проволока – это положительный полюс, а цинковый гвоздь – отрицательный полюс.
Когда присоединяем к полюсам измерительный прибор, цепь замыкается. Внутри клубня картофеля произошла химическая реакция. Электроны внутри атомов, составляющих картофельный сок, собрались на отрицательном электроде и потекли по цепи к положительному электроду. Таким образом, возник электрический ток, текущий по электрической цепи.
Для экспериментального замера электрического напряжения были взяты имеющиеся под рукой фрукты (лимон, виноград, апельсин) и овощи (картофель, лук). Проводить эксперименты мне помогал папа.
Результаты измерений напряжения я занес в таблицу:
|
Наименование |
Напряжение |
|
Картофель сырой |
0,10 |
|
Картофель вареный |
0, 75 |
|
Лук |
0,08 |
|
Лимон |
0,21 |
|
Виноград |
0,15 |
|
Апельсин |
0,04 |
В использованных овощах и фруктах, лидером, по полученному напряжению, стал картофель вареный и лимон, а в отстающих оказался апельсин.
Экспериментируя с разным количеством долек яблок, и с различным количеством долек лимонов, можно добиться, чтобы светодиодная лампочка(2,33В – 2,35 В), начала светиться от фруктового источника. Для этого необходимо использовать шесть долек яблок и шесть долек лимонов.
Если собрать батарейку из нескольких вареных картофелин, то этого будет достаточно, чтобы заработал калькулятор или небольшие электронные часы.
Но такая батарейка не смогла подзарядить мобильный телефон и не смогла заставить работать электромеханические часы…
На выручку пришёл ветрогенератор, энергия ветра, которого успешно справилась с зарядкой телефона и запуском электромеханических часов!
Изготовление модели ветряного генератора.
Для изготовления модели ветряного генератора необходимо, на основе предыдущего анализа существующих конструкций, определить, какие элементы будут присутствовать в нашей модели, а какие являются необязательными.
С целью упрощения создаваемой модели ограничим состав нашего ветряного генератора лишь принципиально необходимыми элементами. Таковыми являются электрический генератор, рабочие лопасти, имитатор мачты для крепления генератора и элементы индикации наличия электрического напряжения при работе нашей модели ветрового генератора.
В качестве электрического генератора применим электродвигатель постоянного тока, подобного таким, которые применяются в различных недорогих детских игрушках.
В качестве рабочих лопастей удобно применить
лопасти от любого компьютерного кулера.
Для индикации наличия электрического напряжения, а значит работоспособности нашей модели, применим светодиод.
Смонтируем все элементы на планку, имитирующую мачту ветряного генератора.
Полученную конструкцию установим на массивное основание, имитирующее фундамент мачты ветряного генератора.
В результате получим готовую модель ветряного генератора.
Энергия ветряного генератора успешно справляется с зарядкой телефона и запуском электромеханических часов!
Заключение.
Проведенные эксперименты подтверждают возможность создания источников питания из фруктов и овощей. Такие батарейки могут использоваться для работы приборов с низким потреблением энергии, таких как светодиодная лампочка.
Как показал эксперимент, из использованных фруктов и овощей лучшими источниками электрического тока являются вареный картофель и лимон.
Во время опытов можно научиться определять электрическое напряжение внутри овощей и фруктов.
Из доступных материалов и деталей была изготовлена модель ветряного генератора. Он является источником питания, например, для подключения электромеханических часов, для подзарядки телефона. С его помощью функционирует светодиодная лампочка.
Ветрогенераторы современных конструкций позволяют использовать экономически эффективно энергию даже самых слабых ветров - от 4 метров в секунду. С помощью ветрогенераторов сегодня можно не только поставлять электроэнергию в «сеть» но и решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов любой мощности. Ветряные генераторы способны обеспечивать электроэнергией загородные дома.
Хочется, чтобы ученые изобрели батарейки, помогающие сохранять окружающую среду. Ядовитые вещества из обычных батареек, проникают в почву, в подземные воды, попадают в море, в водохранилища, из которых мы пьем воду, не думая, что вредные химические соединения с кипячением не исчезают. И каждый из нас должен понимать, что кроме нас никто не сможет сберечь нашу Землю от экологической катастрофы.
Мы можем внести посильный вклад в сохранение окружающей среды путем сбора отслуживших свой срок батареек и сдачи их в специальные пункты приема.
Литература:
1.Энциклопедический словарь юного физика. - М.: Педагогика, 1991 г.
2.Энциклопедии «История открытий» серии «Росмэн».
3. Детская энциклопедия «1001 вопрос и ответ».
4.Моя первая энциклопедия / пер. с англ. В. А. Жукова, Ю. Н. Касаткиной, Д. С. Щигеля - М, 2010 г.
5.Большая книга "Почему" / перевод с итальянского О. Живаго - М, 2012 г.
6.В.Н. Витер «Фруктовая батарейка». Журнал «Химия и химики» №8, 2009 г., стр. 134-137
7.Журнал. «Галилео» Наука опытным путем № 3/ 2011 г. «Лимонная батарейка»
8. Г. Ландсберг: Элементарный учебник физики. Издательство: «Физматлит», 2022 г.
9. Алан Уатт, «Электроэнергия: варианты и выборы», «Книжное издательство», Торонто, (1986г.)
10. Германович В.Т. Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы / В.Т. Германович, А.В. Турилин. – СПб: Наука и техника, 2014г. – 318 с.