Наша команда учится, решая серьезные «взрослые» задачи, и решает задачи играя. В соревнованиях мы участвуем не только ради игры, мы хотим привлечь внимание сверстников и старших товарищей к проблеме загрязнения природы ради выработки энергии и показать примеры как можно получать «зеленую» энергию.
Только в РФ выбрасывают (не утилизируют, а просто выбрасывают в мусор) более миллиарда (это более 20 тысяч тонн) батареек. Это огромная проблема – ведь даже одна выброшенная батарейка загрязняет 400 л воды или около 20 кв. м почвы. Для сравнения: в лесу это территория обитания двух деревьев, двух кротов, одного ежика и нескольких тысяч дождевых червей.
Не лучше обстоит дело и с использованием аккумуляторов — свинцовые аккумуляторы почти не утилизуются. Аккумуляторы из других материалов тоже представлюят собой большую опасность и утилизуются не более эффективно, чем батарейки (не более 0,5%). Так что проблема наноэнергетики – не нано, а ГИГА проблема для экологии и для человечества.
Выбор источника энергии
Мы собрали данные по различным способам сбора энергии, всего 5 видов- энергия света (фотопреобразователи), электромагнитные волны (радиоэфир, телеэфир, wi-fi, излучение сотовых сетей), тепло (за счет разницы температур), механические (движение, колебания) и радиация.
Фотопреобразователи
Мы исследовали несколько купленных в магазине радиодеталей фотопреобразователей, и полученные данные свели в таблицу 2. По результатам исследования мы решили выбрать (выход в финал!) преобразователи SS3514. Детальное описание методики тестирования и элементов приведено в нашей инженерной тетради.
Термоэлементы (эффект Зеебека)
Термоэлементы дают электрический ток при разнице температур двух материалов, составляющих элемент. Из истории нам известен «Партизанский котелок» — термоэлемент, который на огне костра давал ток для заряда аккумулятора рации во время Великой Отечественной войны, но в нашем распоряжении нет такой большой разницы температур (костра), так что больше чем 0.5 В мы получить не сможем. Так что пока воздержимся от термоэлементов.
Вибропреобразователи
Виброгенераторы используются в машиностроении как автономные источники питания различных устройств, так что мы решили проверить, хватит ли нам энергии нашего виброгенератора и даст ли он достаточное напряжение. Есть публикации, в которых описано изготовление виброгенератора в форм- факторе ААА (6).
Радиация
Получение электроэнергии из ядерных реакций- интересная тема, но уж точно не годится ни для пульта, ни для датчика температуры за окном. Так что вариант радиационного источника мы откладываем. Ну может для Марса. Но потом. На фото – радиоизотопный генератор для New Horizons. Наша собачка такой не потянет.
Электромагнитные поля
Мы посчитали, что плотность электромагнитных полей в обычных бытовых условиях слишком мала для того, чтобы накопить энергию для пульта телевизора, например – чтобы набрать 1 микроватт, нам нужна антенна с эффективной площадью более 2000 см2 – а это квадрат 45 см на 45 см. Так что этот вариант сбора энергии тоже отпадает. Но не отпадает для других применений.
Мозговой штурм – выбор модельных объектов для наших инновационных проектов.
Мы устроили «мозговой штурм» — 15 минут без какой-либо критики и выбрали очень популярный и почти в каждом доме «живущий» (а иногда их пара или больше) прибор – пульт управления. Телевизором, жалюзи, кондиционером – пульты везде, и не везде еще всё заведено на «умный дом». Наш выбор – сделаем пульт на фотопреобразователе БЕЗ батареек и аккумуляторов.
А для применения виброгенераторов мы выбрали модельный объект – «Dog Tracker»- устройства для поиска потерянных домашних питомцев.
Конструирование виброгенератора
Мы провели испытания генератора- при вибрации до 1 g (10 м/с2) он дает напряжение до 3-4 Вольт на нагрузке 10 кОм.
Виброгенератор. 1, 3 – неподвижные магниты, 2 – катушка 1000 витков провода ПЭЛ-0.14, внутри катушки- еще один постоянный магнит.
Накопитель энергии
По условиям задачи мы сразу отказались от химических источников тока. Что же взамен- мы предлагаем суперконденсаторы, или ионисторы- устройства накопления энергии, лишенное многих недостатков химических источников тока.
Это:
- Неограниченное число циклов заряда – разряда
- Небольшие значения токов утечки
- Работа при отрицательных температурах
- Длительный срок службы (до сотни тысяч часов)
- Низкая токсичность (за небольшим исключением особых видов ионисторов)
- Механическая прочность
- Большие токи разряда и заряда (хотя нам важен только ток заряда)
Мы сконструировали прибор для измерения напряжение на ионисторе при заряде от солнечной батареи.
Буквально за час суперконденсатор на подоконнике зарядился на 0,86 Джоуля.
Заметим (это мы определили в эксперименте, описанном в инженерной тетради) что для одного импульса управления телевизором достаточно 20 миллиджоулей – таким образом, за час пульт даже с одним элементом в зимний хмурый день накопит энергию на 43 команды.
Отзывы и рецензии на наш проект «Зеленая энергия для интернета вещей и автономной электроники», полученные от организаций и от юных техников – победителей областных и всероссийских конкурсов.
Помогите нам собрать дополнительную информацию для нашего проекта