XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Бронепластина с функциями подогрева, охлаждения и генерации электроэнергии из тепла человеческого тела
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Резюме
Наш проект - это инновационное внедрение системы элементов Пельтье в военные средства личной защиты, способное поддерживать комфортную температуру для владельца как в мороз, так и жарким солнечным днем. Эта разработка также может генерировать электроэнергию за счет тепла человеческого тела. В комплект входят ёмкий и многофункциональный аккумулятор и биобатареи. Они способны давать электричество, если залить в них электролит, который можно получить от продукта человеческой жизнедеятельности, например, мочи.
Введение
Актуальность: Ветер, солнце, вода, волны, течения - давно воспринимаются человеком как источники энергии, но о том, что давать её может сам человек, мало кто задумывается. Начались первые эксперименты по использованию тепла человеческого тела для подзарядки электронных устройств. В 2016 году изобретён портативный фонарик, который способен подпитываться от своего владельца. С помощью тепла человеческого тела уже отапливаются здания: торговые центры, жилые дома, офисные здания.
Особая потребность в получении такой энергиираспространена на линиях боевого соприкосновения, где решающую роль играет наличие у личного состава различных средств и инструментов, которыми сейчас являются дроны, телевизоры, рации, фонарики и т.д. Вооружённые силы, имеющие все эти средства в рабочем состоянии, получают значительное технологическое превосходство. Наша разработка доказывает, что можно генерировать и накапливать электроэнергию, используя лишь тепло человеческого тела. Одним из главных преимуществ такой энергии является его относительно низкая стоимость. Исходные материалы не ограничены, ресурсы возобновляемы.
Проблема: Сейчас без централизованной системы электропередачи человеку сложно найти источники электричества. Особенно эта проблема распространена в зоне ведения активных боевых действий, где необходимо иметь техническое преимущество над соперником. В данный момент военные используют большое количество походных генераторов, которые привязаны к какому-либо источнику энергии, также популярны всевозможные аккумуляторы, которые имеют свойство быстро терять свой заряд и могут составлять несколько килограмм в обмундировании бойца. А бронежилеты, которые обязательно должны быть на солдатах, вызывают дискомфорт в жаркую погоду, и не могут задерживать в себе тепло во время морозов.
Цель: Создать рабочую систему из бронепластины, биоаккумуляторов и мобильного блока питания, способную генерировать электричество, накапливать её и использовать для зарядки других устройств, осуществления климат контроля в системе бронежилета.
Задачи:
1. Найти плюсы и минусы в устройстве бронежилета.
2. Создать рабочие прототипы биоаккумуляторов и бронепластины.
3. Провести испытания с рабочими прототипами.
4. Рассчитать себестоимость рабочего прототипа бронепластины.
Основная часть
|
Место реализации |
МБОУ «СОШ № 4 г. Оса» |
|
|
Новизна |
Проведя исследования в сети интернет пользуясь открытыми данными, мы не нашли ни одного аналога или прототипа похожего по своему строению на наш проект. Также не было и разработок, повторяющих принцип действия и функционал проекта. Единственной разработкой похожей по назначению на наш проект считаем стерт ап PowerWalk от канадской компании BionicPower. Их разработка это по сути экзоскелет с двигателями и генераторами способными вырабатывать электричество, когда боец находится в движении, при чём если он только ходит. Главным преимуществом нашей бронепластины и биобатареи является их многофункциональность и возможность работы независимо от физической активности. Наш прототип позволяет получить небольшое напряжение, но для его работы не нужно предпринимать никаких лишних действий, т.е. стоит только залить в биоаккумуляторы электролит (в качестве которого могут служить различные жидкости, выделяемые человеческим организмом) и одеть на себя бронежилет, после чего начнётся генерация электроэнергии. Такой генератор всегда находится с вами, не мешает комфорту или мобильности, а даже наоборот улучшает его уровень. Для генератора не нужно ни солнце, ни ветер, а только человек, с которым она вступает в своего рода симбиоз машины и живого организма. Прототип способен работать без вмешательства человека. Если поставить бронепластину перед источником тепла или на него, она так же будет генерировать электрический ток. Ещё одним значительным преимуществом нашего прототипа является возможность бронепластины охлаждаться, что происходит при функции подогрева, и так как различные камеры ночного видения видят различие температуры, то бронепластина сможет охладиться и в телевизоре будет менее видна, а при достижении температуры близкой к окружающей среде и вовсе не будет видна в камере ночного видения. |
|
|
Методы реализации |
изучение литературы, эксперимент, визуализация результатов, моделирование ситуации, анализ, разработка прототипов бронепластины и биоаккумуляторов, математический расчет |
|
|
Возможные риски |
Малая выходная мощность биобатареи |
|
|
Малая выходная мощность системы элементов Пельтье |
1. Увеличить количество элементов. 2. Пересмотреть радиоэлектрическую схему их соединения. 3. Поставить более мощные элементы. |
|
|
Сложно найти экспертов для оценки идеи проекта |
“Research start”, “Стартвнауке”.
|
|
|
Аккумулятор не сможет выполнять функции питания разных компонентов бронепластины |
|
|
|
Ожидаемые результаты |
- много карманов и секций - изготовлены из прочных материалов - форма пластин дает свободу движений в боевых условиях и два недостатка: - большой вес бронепластины - не приспособлен к перепадам температур - разность температур между пластиной и телом человека не используется |
|
|
||
|
МТБ |
Металлическая заготовка, пластик PLA, «3D» принтер, болгарка, плоскогубцы, отвертка, нож, линейка, рулетка, карандаш, клей, ноутбук, тески, термопаста, элементы Пельтье, металлические пары, литий-ионные аккумуляторы, провода, припой, канифоль, паяльник, болты, гайки, тумблер, умные платы контроля уровня заряда. |
|
|
Описание основных этапов |
|
|
Рабочий план
|
№ |
Вид деятельности |
Сроки |
|
1. |
Изучить открытые источники в сети Интернет: - https://ru.wikipedia.org/wiki/Элемент_Пельтье -https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Пельтье -https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффект_Зеебека -https://dzen.ru/a/W_g5pEFPGwCpOKwz |
12.09 - 15.09 |
|
2. |
Найти металлическую заготовку для бронепластины. |
16.09 - 17.09 |
|
3. |
Приготовить чертеж бронепластины (рис. ). |
17.09 - 18.09 |
|
4. |
Вырезать бронепластину с помощью газового резака по чертежу. |
18.09 - 19.09 |
|
5. |
Обработать и очистить вырезанную деталь с помощью электрической болгарки. |
19.09 - 20.09 |
|
6. |
Разработать схему подключения элементов Пельтье. |
20.09 - 23.09 |
|
7. |
Разработать крепления. |
23.09 - 24.09 |
|
8. |
Смонтировать систему элементов Пельтье на бронепластине. |
24.09 - 28.09 |
|
9. |
Провести ряд экспериментов. |
28.09 - 04.10 |
|
10. |
Разработать схему аккумулятора и терморегулятора. |
04.10 - 10.10 |
|
11. |
Сделать 3D модели и распечатать их на принтере. |
10.10 - 18.10 |
|
12. |
Вмонтировать все комплектующие в корпус. |
18.10 - 23.10 |
|
13. |
Провести тест на работоспособность. |
23.10 - 25.10 |
|
14. |
Изучить информацию на тему гальванических элементов питания. |
25.10 - 29.10 |
|
15. |
Провести ряд опытов по подбору наилучшей гальванической пары. |
29.10 - 08.11 |
|
16. |
Разработать корпус для биоаккумуляторов и распечатать их. |
08.11-11.11 |
|
17. |
Вмонтировать в корпуса гальванические пары. |
11.11-13.11 |
|
18. |
Провести опыты на работоспособность биоаккумулятров. |
13.11-15.11 |
|
19. |
Провести анализ открытых источников интернет на наличие аналогов или похожих разработок. |
15.11-19.11 |
|
20. |
Определить круг потенциальных потребителей. |
19.11-26.11 |
|
21. |
Определить себестоимость создания прототипов. |
26.11-29.11 |
|
22. |
Найти перспективы проекта на будущее. |
29.11-06.12 |
Ход выполнения работы
-
Создание прототипа бронепластины:
За основу бронепластины мы взяли металлическую деталь толщиной 5 мм вырезанную по чертежу (рис. 1, 2). Далее обработали от краски и заусенцев, оставленных после разрезки металла газовым резаком. Выбрали максимально эффективный и практичный метод крепления элементов Пельтье (рис. 3), который заключается в распечатке на «3D» принтере креплений высотой 2/3 толщины элемента Пельтье (рис. 4). В креплении есть два ушка для присоединения к пластине. Следующим этапом мы просверлили отверстия под болты для каждого из 14 элементов Пельтье, а для лучшей теплопроводности стыка термоэлементов и металла предварительно промазали термопастой (рис. 5). После чего надёжно закрутили все элементы на свои места. Далее обрезали все лишние провода и соединили их по следующей схеме (рис. 6). Четыре элемента находящиеся в центре были подключили параллельно т.к. методом экспериментального исследования выяснили, что при таком подключении увеличивается потребляемый ток, но зато можно запустить схему от 5-7 вольт. Это позволит максимально эффективно осуществлять подогрев и охлаждение, остальные 10 элементов подключили последовательно, для того чтобы увеличить напряжение, вырабатываемое прототипом. Часть, отвечающая за генерацию и элементы, осуществляющие климат контроль, соединили плюсовыми контактами, а минусовые выводы имеют отдельные клеммы, что позволяет использовать отдельно как 4, так и все 14 элементов.
-
Создание прототипов аккумуляторов.
Созданные биоаккумуляторы (рис. 7) являются отдельными гальваническими элементами из графита и цинка, а электролитом служат различные жидкости как широко распространенные, так и выделяемые человеческим организмом. Эти жидкости содержат в себе соли, кислоту, минералы или большое количество микроорганизмов.
Мы спроектировали три идентичных биоаккумулятора, взяв за разнородную пару металлов графит из батарейки и цинковые пластины, а корпус распечатали на 3D принтере. После ряда испытаний была выяснена прямая зависимость между генерируемым напряжением и агрессивностью среды, используемой в качестве электролита. Небольшое значение имеет температура электролита. Каждая батарейка вырабатывает от 1-1,7 вольт.
-
Создание литий-ионного аккумулятора.
Главным питающим и собирающим энергию компонентом стал многофункциональный литий-ионный аккумулятор (рис. 8). Решением риска № 4 стало использование тумблера типа on-off-on который при положении «off» полностью обрывает цепь и на выходе нет напряжения, при других двух положениях аккумуляторы подключаются или по схеме шесть параллельно для режима генерации и накопления электроэнергии, а при втором положении пять аккумуляторных батарей соединяются параллельно, а последняя замыкает цепь соединяясь со всеми остальными последовательно и на выходе получается 7,4 вольт для подогрева или охлаждения бронепластины.
-
Проведение экспериментов
Проверку работоспособности прототипа бронепластины будет проходить на столе 3D принтера. Бронепластина ложится элементами Пельтье вниз. Температуру стола настроили под температуру человеческого тела 36-370С. Мультиметр переключили на измерение миллиампер и постоянного напряжения в вольтах. Подключили анодом к общему плюсу, а элементы климат контроля и генерации подключили параллельно (при таком подключении четыре центральных элемента вырабатывают небольшое напряжение, но увеличивает ток в 4 раза, а 10 последовательно подключенных элементов позволяют генерировать напряжение, которое в 10 раз больше чем на отдельно взятом элементе). С помощью форточки и электронного термометра мы поддерживали определенную температуру окружающей среды. С помощью секундомера определяли через какой промежуток времени будут изменяться показатели генерации электричества. Было проведено 3 эксперимента которые занесены и систематизированы в таблице
Таблица
Ряд экспериментов по проверке работоспособности бронепластины в разных условиях
|
№ |
t окр. среды (С0) |
t нагрева (С0) |
напряжение в начале опыта (Вольт) |
напряжение после проме-жутка времени (Вольт) |
время между измерениями (мин.) |
начальный ток (mА) |
ток после промежутка времени (mА) |
|
1 |
23 |
36 |
0,8 |
0,5 |
16 |
26 |
20 |
|
2 |
12-14 |
36 |
1,7 |
0,8 |
58 |
68 |
46 |
|
3 |
17-18 |
36 |
1,0 |
0,6 |
30 |
30 |
22 |
|
4 |
0 |
50 |
3,3 |
3,0 |
20 |
98 |
90 |
1, 2 эксперимент
Цель: Определить зависимость напряжения и тока от разности температуры на разных сторонами элементов Пельтье.
Итог: Установлена прямая зависимость генерируемым напряжением и разностью температур.
3 эксперимент
Цель: Определить влияниеверхней одежды (футболка из 100% хлопка) на величину электрического тока и напряжения, вырабатываемого бронепластиной.
Итог: Наличие футболки между нагревательным столом и элементами Пельтье незначительно повлияло на показатели электрического тока и напряжения. Футболка забрала часть тепловой энергии, чем незначительно уменьшила КПД.
-
эксперимент
Цель: Смоделировать ситуацию, когда пластина генерирует электричество не от человека, а от др. источника тепла (приближенные к боевым условиям, например, близко к костру).
Итог: Напряжение увеличилось до отметки 3,3 вольта, а ток короткого замыкания доходил до 98 миллиампер.
Вывод: После проведения серии экспериментов выяснено, что бронепластина способна генерировать электричество, значения которого на прямую зависит от разности температур на ее металлической части и на обратной стороне элемента Пельтье. Генерация обратно зависит от наличия прослойки между нагревателем и пластиной.
5. Расчет себестоимости бронепластины, биоаккумулятора и литий-ионного аккумулятора.
|
Комплектующие |
Количество |
Цена |
Итого |
|
14 |
177.00 |
2478.00 |
|
14 |
3.00 |
42.00 |
|
28 |
3.00 |
84.00 |
|
1 |
40.00 |
40.00 |
|
6 |
196.00 |
1176 |
|
1 |
115.00 |
115.00 |
|
1 |
76.00 |
76.00 |
|
200 гр |
300.00 |
300.00 |
|
9. Гайки м3 |
28 |
2.00 |
56.00 |
|
Сумма |
4367.00 |
Заключение
Подводя итоги можно сказать, то что нам удалось совместить часть защитного военного обмундирования и элементы Пельтье, которые могут в жаркую погоду охладить своего носителя или наоборот в суровую погоду прогреться до +50-600. Проведя ряд экспериментов была подтверждена гипотеза о возможности генерировать электроэнергию от тепла человеческого тела и продуктов его жизнедеятельности. Был разработан емкий и практичный аккумулятор способный питать нагрузки, рассчитанные как на 3,7 вольт, так и саму модернизированную бронепластину, используя 7,4 вольт. Проведя анализ целевой аудитории, мы выявили потенциальных потребителей – это военные, экстренные и спасательные службы, поисковые отряды и правоохранительные органы.
Цена создания прототипа составляет 4 949 рублей. Проанализировав рынок, мы убедились в отсутствии прямых аналогов, и нашли ряд преимуществ нашей разработки перед имеющимися решениями.
По сравнению с общепринятыми источниками электричества (аккумуляторы, PowerBank, ПЗУ, дизельные генераторы) разработанный прототип бронепластины имеет меньший КПД, но может генерировать не так много электричества, как например солнечные панели. Это связано от части с комплектующими проекта, ведь главными источниками электричества в нем служат элементы Пельтье самого низкого качества и ценовой категории. По нашим подсчетам при использовании другой модели элелементов Пельтье, и увеличив их количество можно добиться 0,7-1 ампера, что хватит для заряда аккумулятора. Коррективы можно внести в строение биоаккумулятора, т. е. подобрать экспериментальным путем самую эффективную гальваническую пару разнородных металлов. В планах также есть перспектива встраивания системы элементов Пельтье в другие части военного обмундирования. Есть потенциал создания гражданской, облегченной версии генератора, основанного на таком же принципе. Мы ведем исследования о наличии и добыче электроэнергии из человеческого тела в процессе протекания в нем электрических импульсов.
Проект имеет явные перспективы и драйверы развития.