VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Альтернативные источники энергии. Фруктовые, овощные батарейки
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В XXI веке человек все чаще стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Люди прошли путь от первого костра до атомных электростанций, однако энергия была и остается главной составляющей жизни человека.
Без источников энергии жизнь человека трудно себе представить. Традиционные источники энергии — нефть, газ, каменный уголь, дрова — со временем иссякнут. По некоторым оценкам это произойдет уже в ближайшие десятилетия. Проблема перехода от традиционных источников энергии — дерева, угля, нефти, газа — становится все более актуальной с каждым годом. И дело не только в том, что традиционные источники истощаются. Существует еще и проблема экологическая, поскольку сжигание углеводородного топлива приводит к вредным выбросам в атмосферу, ухудшая сферу обитания человека, делая ее неблагоприятной.
Актуальность моей работы в том, что важно найти новые источники энергии, более безопасные с экологической точки зрения.
Так каким будет будущее планеты в энергетическом плане? Потому сейчас перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии.
К альтернативным источникам энергии относят энергию Солнца, земли, ветра, воздуха, атомную и биоэнергию.
А мне стало интересно, что такое биоэнергетика? И можно ли используя с помощью биоэнергии получить электрическую энергию? Например, изготовить батарейку своими руками из овощей и фруктов?
И я решила провести исследование.
Гипотеза: предполагаю, что биоэнергия – одно из самых перспективных видов альтернативной энергии. В бытовых условиях можно использовать биоэнергию для получения электричества.
Проблема проекта: узнать о видах альтернативной энергии, о биоэнергетике; узнать о понятии электрического тока, изучить принцип работы батарейки; выяснить могут ли фрукты и овощи выполнять функцию батарейки.
Объект исследования: электрический ток, фрукты и овощи.
Цель исследования: доказать, что фруктово-овощные батарейки могут использоваться в бытовых условиях для получения небольшого электрического тока.
Для достижения поставленной цели мне необходимо решить следующие задачи:
• познакомиться с видами альтернативной энергии;
• познакомиться с биоэнергетикой;
• попробовать получить электрический ток с помощью фруктово-овощной батарейки;
• провести анкетирование по проблеме исследования;
• обобщить собранный материал и сделать вывод.
Для решения поставленных задач использовала ресурсы: материалы Интернета, эксперимент, анкетирование обучающихся 3 классов МОУ ИРМО «Марковская СОШ».
Место исследования: Иркутская область, Иркутский район, р.п. Маркова, улица Высоцкого, дом 4
Сроки разработки и реализации проекта:
1. Сбор и анализ информации по теме (сентябрь-октябрь 2019г.)
2. Сбор и анализ результатов анкетирования по теме проекта (ноябрь 2019г.)
3. Практическая работа проведения опытов в домашних условиях (ноябрь 2019г.)
4. Создание презентации и фотоальбома для представления проекта (ноябрь 2019г.)
5. Представление проектной работы на школьной НПК (декабрь 2019г.)
Для планирования практической части проекта необходимо: лимоны, кусочки медной проволоки, оцинкованные пластинки или винты, провода (желательно с зажимами на концах), небольшой нож, мультиметр, светодиод.
1. Основная часть
1.1. Альтернативные источники энергии
Человечество на протяжении практически всего своего существования находится в постоянном поиске новых источников получения энергии. В настоящее время для получения необходимого количество электрической энергии применяются не возобновляемые источники, которые представляют собой природные ископаемые, такие как уголь, нефть или природный газ. Но запасы таких ископаемых не бесконечны.
Поиском новых, как их ещё называют, альтернативных, способов получения энергии занимается новая отрасль энергетики: альтернативная энергетика. Альтернативный источник энергии – это те ресурсы, для выработки которых не нужно прикладывать усилий, они уже вокруг нас. Это энергия солнца, отходы переработки живых организмов, вода, ветер, вторсырье. В отличие от традиционных ресурсов они более эффективны, дешевле и экологически безопасны.
В настоящее время исследовано и на практике применяется несколько способов получения электрической энергии без применения традиционных видов топлива. При этом, согласно статистике, человек в современном мире применяет только 0,001% имеющихся в природе альтернативных источников энергии, что является ничтожно малой частью громадного потенциала природы. Но уже к 2030 году доля потребления существенно увеличится, причет основные надежды учетные возлагают на энергию ветра и солнца (приложение1, таблица1).
На сегодняшний день наибольшее распространение получили следующие виды получения энергии при помощи использования природных неиссякаемых источников.
Энергия ветра.
Применять силу ветра люди научились давно. Первым примером можно назвать мореплавание, где благодаря ветру корабль совершал движение, а также ветряные мельницы. Современные технологии сделали возможным применение ветра, который является альтернативным источником получения энергии. Выработка электричества при помощи ветра происходит посредством применения специальной установки, именуемой ветряк, которую можно сравнить с мельницей (приложение2, таблица2).
Когда я путешествовала по Вьетнаму, то заметила большое количество подобных ветряков. Они располагались ровными рядами на больших полях. Огромные лопасти ветряков неспешно вращались с одинаковой скоростью. Но вид это очень необычное, завораживающее зрелище.
Энергия Солнца.
Солнечная энергия — вид электроэнергии, получаемой при помощи использования светового потока, попадающего на землю в виде солнечных лучей. Получение энергии посредством солнечного света является перспективным направлением альтернативной энергетики, поскольку в течение одного только года на поверхность Земли попадает солнечного света в 30 000 раз больше, чем все население планеты использует за этот год. Солнечный свет попадает на поверхность специальной фотопластины, и затем при помощи гелиоустановки превращается в привычный электрический ток. Небольшая гелиоустановка способна обеспечить домашнее хозяйство требуемым количеством энергии для обогрева и получения горячей воды (приложение 2, таблица3).
Энергия тепла земли.
Еще одна альтернатива электроэнергии является получение энергии при помощи тепла, которое отдает сама земля (приложение2, таблица4).
Кроме перечисленных, наиболее распространенных видов источников получения альтернативной энергии, существуют более экзотические способы, в числе которых: биотопливо, мускульная сила человека, силы грозы, энергия приливов и отливов.
В своей работе я решила подробнее исследовать биоэнергию, как энергию для получения электричества в бытовых условиях.
Биоэнергетика
Биоэнергетикой называют получение энергии из биологического топлива. Такое топливо может быть различным: производные древесины (щепа, опилки и так далее), брикеты из соломы, лузги, торфа, бумаги, а также биогаз и жидкое биологическое топливо.
В настоящее время биоэнергетика активно развивается, так как в этой отрасли используются возобновляемые ресурсы для получения энергии различных видов.
Как устроена батарейка
Я знаю, что если батарейка уже не работает, ее нельзя выбрасывать в мусорное ведро, на землю, а нужно сдать в специальный пункт для утилизации батареек. И меня заинтересовал вопрос: как устроена батарейка? Почему ее утилизируют специальным образом? Можно ли изготовить экологически чистую батарейку?
У обычной, «одноразовой» батарейки есть и другое название – «гальванический элемент». Электрический ток в нем появляется из-за химического взаимодействия веществ. Впервые этот способ получения электричества был придуман знаменитым итальянским физиком Алессандро Вольта. Именно в честь него была названа единица измерения электрического напряжения – 1 вольт.
А название «гальванический элемент» дано в честь итальянского ученого Луиджи Гальвани из Болоньи. Еще в 1791 году он сделал важное наблюдение. Гальвани заметил, что тело мертвой лягушки вздрагивает под действием электричества - если положить его возле электрической машины, когда оттуда вылетают искры. Или если оно просто прикасается к двум металлическим предметам. Но Гальвани подумал, что это электричество есть в теле самой лягушки. И назвал это явление «животным электричеством». Вольта повторил опыты Гальвани, но с большей точностью. Он заметил, что если мертвая лягушка касается предметов из одного металла - например, железа - никакого эффекта не наблюдается. Чтобы эксперимент прошел успешно, всегда требовались два разных металла. И Вольта сделал вывод - появление электричества объясняется взаимодействием двух различных металлов, между которыми образуется (с помощью проводника, которым и оказывалось в опытах Гальвани тело лягушки) химическая реакция.
После множества опытов с разными металлами Вольта сконструировал столб из пластинок цинка, меди и войлока, смоченного раствором серной кислоты. Цинк, медь и войлок он накладывал друг на друга в таком порядке: внизу находилась медная пластинка, на ней войлок, затем цинк, опять медь, войлок, цинк, медь, войлок и т. д.
И в итоге столб оказывался заряженным на нижнем конце положительным, а на верхнем — отрицательным электричеством.
И на обычной батарейке на одном ее конце нарисован плюс, а на другом – минус. Это почти тот же самый «Вольтов столб». Только за двести лет он стал гораздо меньше. Первый-то, сделанный Алессандро Вольтой, был высотой в полметра. Это был первый в истории химический источник тока, пригодный для практического применения.
Современные батарейки устроены, конечно, немного иначе – в них уже нет ни металлических дисков, ни войлочных пластинок, пропитанных раствором кислоты, но принцип тот же (приложение 3,таблица5).
Вред от батареек для окружающей среды настолько велик, что по-настоящему многие его не осознают. Исследователи уже установили, что всего лишь одна-единственная использованная пальчиковая батарейка, которую выбросили в лесу , способна загрязнить тяжелыми металлами около 20 квадратных метров территории. То есть на этом месте уже не вырастут два дерева, не смогут жить и развиваться несколько тысяч дождевых червей, благодаря которым земля становится плодородной, не смогут существовать несколько семей кротов и ежей.
Для уменьшения вреда окружающей среде от использованных батареек необходимо соблюдать правила (приложение 3,таблица6). В моем поселке Маркова нет пунктов приема батареек. В рамках работы над проектом у меня родилась идея организовать такой пункт сбора.
А если это возможно, стараться применять альтернативные источники энергии.
2.Практическая часть
2.1. Исследование различных фруктов и овощей как источников электрической энергии
Интересно, что изобретенная 200 лет назад самая первая батарейка работала на основе фруктового сока. Алессандро Вольта в 1800 году сделал открытие, собрав нехитрое устройство из двух пластин металла (цинк и медь) и кожаной прокладки между ними, пропитанной лимонным соком.
Ученые утверждают, что если у вас дома отключат электричество, вы сможете некоторое время освещать свой дом при помощи лимонов.
Индийские ученые работают над созданием необычных батареек для несложной бытовой техники с низким потреблением энергии. Внутри этих батареек должна быть паста из переработанных бананов и апельсиновых корок.
Компания Sоnу на научном конгрессе в США представила батарейку, работающую на фруктовом соке.
А группа ученых из Великобритании создала компьютер, источником питания для которого является картошка. Питается это устройство 12 картофелинами, которые меняются каждые 12 дней.
Я решил провести исследование, чтобы выяснить, какие фрукты и овощи могут быть использованы в качестве батарейки. Для создания гальванического элемента нам понадобится цинковая пластина, медная проволока, фрукт или овощ.
В самодельном гальваническом элементе цинковая пластина действует как отрицательный электрод, а медная проволочка – как положительный. Электролитом (проводящая ток жидкость) является сок фруктов и овощей
Мною были сделаны гальванические элементы из различных овощей и фруктов: лимон, яблоко, картошка (сырая и вареная), лук, свекла, помидор, апельсины, мандарины, памелла, соленые помидоры и огурцы, а также некоторые комбинации этих фруктов и овощей. В каждом элементе был сделан замер напряжения с помощью мультиметра. В результате измерений оказалось, что самое высокое напряжение дают мандарины, лимоны, яблоки, а лук самое низкое. Такой овощ, как свекла, вообще не дает напряжение. Самым же неожиданным оказалось, что обычная вареная картошка тоже дает достаточно высокое напряжение (приложение 4, таблица7).
Изготовление фруктово-овощной батарейки
Изучив напряжение, которое дают овощи и фрукты, я приступила к изготовлению фруктовой батарейки (приложение 5, таблица 8). Прежде всего, приготовила все необходимые материалы и приборы: лимоны (лайм тоже подойдет), кусочки медной проволоки, оцинкованные пластинки или винты, провода (желательно с зажимами на концах), небольшой нож, мультиметр, светодиод.
Сначала надо помять лимон. Надавливать пальцами и катать его надо до тех пор, пока он не станет мягким. Это делается для того, чтобы внутри лимона появился сок. Этот шаг очень важен – от него зависит эффективность нашего эксперимента.
С одной стороны вкрутить в лимон оцинкованный винт приблизительно на треть его длины. С другой – кусочек медной проволоки.
Лимон работает как батарейка: медь – положительный (+) полюс, а свинцовая пластина или винт – отрицательный (-). К сожалению, это очень слабый источник энергии. Но его можно усилить, соединив несколько лимонов. Вставить таким же образом оцинкованные винты и медные кусочки проволоки в другие лимоны. Затем подключить провода и зажимы, соединить лимоны таким образом, чтобы винт первого лимона подключался к медной проволоке второго и т.д. И, наконец, цепь замкнуть.
Один из способов – подключить к ней устройство мультиметр, которое позволит измерить напряжение батареи.
Другой способ – приложить два свободных конца проволок к контактам светодиода (лампочки), он загорится. Используя батарейку-лимоны, мне также удалось заставить работать электронные часы.
Но будет ли гореть лампочка-светодиод, если источник тока сделать из картофеля?
Одна картофелина дает напряжение порядка 0,5 В. Значит, от одной лампочка не загорится. Но я знаю, что если соединить несколько фруктовых или овощных батареек последовательно, это увеличит напряжение пропорционально количеству взятых фруктов или овощей. Поэтому в нашем случае мне необходимо несколько картофелин.
Экспериментируя с разным количеством картофелин, я добилась, чтобы светодиод загорелся. Картофелин было семь. Итак, эксперимент завершился. Я убедилась, что из фруктов и овощей можно сделать батарейку.
Результаты анкетирования
Мне стало интересно, а что ребята младших классов думают об альтернативных источниках энергии, и я предложила им ответить на несколько вопросов анкеты на тему «Что я знаю об альтернативных источниках энергии?» (приложение 5, таблица 9).
Результаты анкетирования показали, что все опрашиваемые ученики достаточно поверхностно знакомы с данной темой (приложение 6, таблица10). Проблема альтернативных источников энергии не достаточно популярна в начальной школе, о ней мало говорят в новостях и газетах. Но ребят она очень заинтересовала. Особенно заинтересовала возможность смастерить батарейку своими руками.
В результате исследования я сделала вывод, что получить электрическую энергию из фруктово-овощной батарейки можно. Она может выручить в непредвиденной ситуации. К тому же она экологически чистая, в отличие от традиционных батареек.
Заключение
Таким образом, я подтвердила свою гипотезу о том, что биоэнергию можно использовать для получения электричества в бытовых условиях.
С помощью овощей удалось создать батарейку, которую можно использовать для приборов с низким потреблением энергии;
Причем из используемых фруктов и овощей лучшими являются лимон и картофель, а для более мощной батарейки надо больше овощей и фруктов.
В ходе своей работы я узнала больше об альтернативных источниках энергии, их основных видах, поняла, как устроена обычная батарейка, и изготовила свою фруктово-овощную батарейку.
Альтернативным источникам энергии в России уделяется особое внимание, как и в других технически развитых странах мира. В связи с географическим положением здесь есть возможность использовать для получения электроэнергии солнце, силу ветра и воды, тепло земли и биоэнергию.
Практически во всем мире наблюдается тенденция роста в отношении применения альтернативных источников энергии. Некоторые ученые считают, что к 2050 году мир может полностью перейти на возобновляемые и другие новые альтернативные источники энергии.
По моему мнению, это одна из основных задач, которая стоит перед моим поколением. Быть может и мне посчастливится поучаствовать в каком-нибудь из проектов, и сделать жизнь на нашей планете чуть лучше.
Список используемой литературы
Сайт «Альтернативная энергия-будущее человечества» https://madenergy.ru/stati/alternativnye-istochniki-ehnergii-kak-bolshoj-shag-v-razvitie-i-ispolzovanie-ehlektroehnergii.html
Сайт «Альтернативные источники энергии. Время экономить» https://homius.ru/alternativnyie-istochniki-energii-chto-eto-takoe.html
Статья на ФБ.ру «Вред от батареек для окружающей среды "http://fb.ru/article/368987/vred-ot-batareek-dlya-okrujayuschey-sredyi
Сайт Эко-журнал «Зленая планета» https://greenplaneta.org/alternativnye-istochniki-energii/
Сайт «Альтернативная энергия» https://altenergiya.ru/
Сайт «Биоэнергетика, виды возобновляемых источников энергии и технологии» https://msd.com.ua
Сайт Узнавай. ру «http://yznavai.ru/batarejka-i-vsjo-o-nej/»
Приложение
Приложение 1
Таблица1. распределение источников чистой энергии к 2030 году
Приложение 2
Таблица 2. энергия ветра
Таблица 3. энергия Солнца
Таблица 4. энергия тепла земли
Приложение 3
Таблица 5. устройство батарейки
Таблица 6. правила использования батарейки
1. Рекомендуется покупать не одноразовые батарейки, а мини-аккумуляторы, которые можно заряжать несколько раз;
2. Обращать внимание в магазине на то, чтобы на батарейках было указано, что они не содержат ртути и кадмия. Это самые опасные тяжелые металлы, которые могут входить в их состав;
3. Категорически запрещается выбрасывать использованные и отслужившие свое батарейки в общую мусорную корзину. Только складировать отдельно, а при случае выбросить в специализированный контейнер.
4. Думать о вероятных последствиях и отдавать предпочтение технике, которая может обходиться без батареек.
Приложение 4
Таблица 7. показания напряжения, полученного в овощах и фруктах
|
Место |
Наименование |
Напряжение (Вольт) |
|
1 |
Лимон |
0,68-0,84 |
|
2 |
Картофель |
0,62-0,84 |
|
3 |
Яблоко |
0,80-0,96 |
|
4 |
Апельсин |
0,68-0,71 |
|
5 |
Мандарин |
0,68-0,89 |
|
6 |
Соленый огурец |
0,72-0,83 |
|
7 |
Соленый помидор |
0,42-0,46 |
|
8 |
Свежий помидор |
0,32-0,69 |
|
9 |
Картофель (вареный горячий) |
0,52-0,66 |
|
10 |
Картофель (вареный остывший) |
0,57-0,80 |
|
11 |
Памелла |
0,25-0,46 |
|
12 |
Картофель сырой+яблоко |
1,12-1,34 |
|
13 |
Апельсин+яблоко |
0,22-0,45 |
|
14 |
Два мандарина |
1,22-1,66! |
Приложение 5
Таблица 8. фотоматериал практической части
(представлен в виде фотоальбома)
Таблица 9. анкета для обучающихся начальных классов
на тему «Что я знаю об альтернативных источниках энергии?»
Какие источники энергии ты используешь в повседневной жизни?
____________________________________________________________________________________________________________________________________
Знаешь ли ты, что такое альтернативные источники энергии? _________________________________________________________________
Как ты думаешь, можно ли сделать батарейку из овощей и фруктов?
__________________________________________________________________
Пробовал (а) ли ты добывать электричество из фруктов и овощей? __________________________________________________________________
Приложение 6
Таблица 10. результаты анкетирования
В опросе приняли участие 75 учащихся начальных классов Марковской школы. Результаты исследования показали, что большая часть опрошенных не до конца понимают, какие источники энергии они используют в повседневной жизни. Только 16 человек назвали используемые источники энергии. Об альтернативных источниках энергии знают 8 учащихся из 66.
62 школьника считают, что изготовить батарейку самостоятельно из овощей и фруктов можно.
А некоторые ребята даже пробовали изготовить такую батарейку.