Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук

Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук

X Приволжский научно-технический конкурс

работ школьников РОСТ-ISEF

Заявка на участие в 1-м туре конкурса

1-й автор (Хохрякова Екатерина Сергеевна)

МБОУ «СОШ №9», 426054, Удмуртская Республика, г. Ижевск,, ул. 30 лет Победы, д. 55, Телефон: +7(3412)58-00-44, E-mail: izhevsk-school9@yandex. ru

11 класс, личный мобильный телефон: 89827948990, адрес личной электронной почты: specia8359@gmail. com

2-й автор (Никитин Дмитрий Андреевич)

МБОУ «ЭМЛи №29», 426033, Удмуртская Республика, г. Ижевск, Береговая 11, Телефон: 8(3412)725739, E-mail: emli29izh@gmail. com

11 класс, личный мобильный телефон: 89199084433, адрес личной электронной почты: dimmini86@gmail. com

Руководитель работы (Богданов Александр Анатольевич)

АУ УР «РЦИ и ОКО» детский технопарк «Кванториум» Ижевск, педагог дополнительного образования, магистр направления «Химия и физика материалов»

Мобильный телефон: 89199087471, адрес электронной почты: bogdanov. aa@obr18. ru

Тематика работы: Техника и технологии

Название работы

«SIREN»

Заявка подана от имени организации АУ УР «РЦИ и ОКО» детский технопарк «Кванториум» Ижевск

Отправкой заполненной формы авторы (их законные представители) и научный руководитель подтверждают свое согласие на обработку персональных данных в соответствии с законодательством РФ и в объеме, необходимом для выполнения функций оргкомитетом и научным комитетом конкурса, а также на публичное размещение и использование фотографий и иных материалов, полученных во время проведения конкурса.

Введение

В наше время актуальна проблема альтернативных источников энергии. Нужны способы добычи энергии, которые не будут вредить окружающей среде и будут достаточно дешевыми в производстве. Наша команда разработала устройство для получения энергии из звука.

При разработке возможных концепций принципа работы устройства был выбран вариант с пьезоэлементом из рыбьей чешуи, как способ переработки органических отходов. Коллаген, содержащийся в чешуе рыб, является пьезоэлектрическим материалом, а это означает, что он генерирует электрический заряд, если подвергнуть его механическим нагрузкам. Рыбья чешуя, состоящая из самоорганизующихся и упорядоченных коллагеновых нановолокон, служит пьезоэлектрическим активным компонентом. Электроприборы, использующие батареи из рыбьей чешуи, являются наиболее экологически чистым аналогом современных пьезоэлектрических генераторов, в состав которых входят токсичные свинец и висмут

Согласно статье индийских ученых SujoyKumarGhosh и DipankarMandal в журнале AppliedPhysicsLetters, 2016, был создан генератор на основе золотых электродов, который смог зажечь 77 светодиодов после нескольких легких хлопков по пьезоэлементу.

Процесс сборки

Первая тестовая установка была изготовлена из мембраны ПЭТ пластика с закрепленной на ней катушкой. Использовался принцип электромагнитной индукции. Мембрана крепилась бумажными кольцами к подставке, на которой находился магнит. Таким образом, установка приводилась в движение звуковыми колебаниями. Позже мы установили дополнительные катушки на мембране для увеличения получаемой энергии. Данную мембрану нужно было закрепить в вертикальной плоскости. Оптимальным решением оказалось, закрепить мембрану на пьезоэлементах, объединив таким образом два принципа действия. Проведя литературный обзор, мы взяли за основу исследования индийских ученых о пьезоэлектрических свойствах чешуи рыб. Нами был изготовлен эффективный гибкий биопьезоэлемент (bio-piezoelectricnanogenerator (BPNG)). Он представляет собой заламинированную чешую, помещенную между двумя пластинами тонкой алюминиевой фольги (толщина порядка 20 мкм). Мы изготовили прототип установки и провели испытания. Оказалось, что пьезоэлементы дают большее напряжение, чем катушки. Поэтому мы отказались от идеи катушек, которые утяжеляли мембрану. Для повышения эффективности установки мы изготовили мембрану полностью из полос пьезоэлементов.

Изготовление платы

Пьезоэлемент дает переменный ток на выходе. Для преобразования переменного тока в постоянный мы использовали диодный мостик.

В данном мостике используются диоды Шотки, позволяющие избавиться от паразитной емкости обычных диодов. Далее мы изготовили печатную плату.

Изготовление корпуса

Мы пробовали изготовить корпуса из разных материалов (фанера 4 мм, оргстекло 3 мм) и размеров.

Самым оптимальным вариантом оказался корпус из оргстекла размерами (Д, Ш, В) 230*110*230 мм.

Постановка эксперимента

Для проведения эксперимента в качестве источника звука использовалась портативная звуковая колонка. Расстояние от источника звука до установки варьировалось от 5 см до 1 м. Также в экспериментальной установке использовались разные конденсаторы, емкостью от 10 нФ до 220 мкФ. Напряжение измерялось с помощью мультиметра. Громкость звука измерялась непосредственно перед установкой.

Минимальное КПД было получено при наименьшей емкости конденсатора 10 нФ. КПД порядка 10^-3% возможно получить при меньшем расстоянии до источника звука, большей емкости конденсатора.

Для увеличения КПД необходимо:

- увеличить емкость конденсатора

- увеличить количество пьезоэлементов на единицу площади

- использовать диоды Шотки в выпрямительном мостике

- использовать в качестве электродов медную фольгу

- увеличить скорость распространения звука (например, водная среда)

Технические характеристики установки

● Габаритные размеры установки: (Д, Ш, В) 230*110*230 мм

● Размеры платы (Ш, Д): 20*40 мм

● Характеристики диодов Шотки: сила тока 1А, напряжение 20 В

● Характеристики конденсатора: напряжение 16 В, емкость 220 мкФ

● Размер мембраны: диаметр 150 мм, толщина фольги электродов 20 мкм

● Материал корпуса: оргстекло 3 мм

Выводы

Таким образом, нам удалось создать устройство для получения электроэнергии из звука. Установка получилась экологичной, эффективной и недорогой в изготовлении, рабочий диапозон частот звука в пределах слышимого. Она является альтернативным источником энергии. Данные панели можно располагать повсеместно (на улицах, в метро).

Установка может собирать несколько типов окружающих механических энергий, таких как движения тела, машинные и звуковые вибрации, а также поток ветра, которые в изобилии присутствуют в живой среде и среде города. В отличие от солнечных панелей и ветрогенераторов, наше устройство не зависит от природных или погодных условий.

Список литературы