sursĂ neconvenȚionalĂ de energiectmtehnologii.hi2.ro/meridian/sursaneconventionala.pdf ·...

of 14/14
SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIE Realizatori elevii : 1.Balaci Nicolae , 2.Milotin Cătălin, electronica si automatizari - clasa a X a Profesori coordonatori : 1. Danciu Rodica , 2. Purcel Lucian , CUPRINS 1. Noţiuni teoretice despre celule galvanice 2. Recondiţionarea zincului din baterii uzate 3. Schemei electrice a stabilizatorului de tensiune de 5 V 4. Concluzii si observatii 5. Pila KARPEN 1. NOŢIUNI TEORETICE DESPRE CELULE GALVANICE Pilele electrice sunt dispozitive ce transformă energia chimică în energie electrică. Asocierea a doi electrozi formează o pila sau celula electrica sau galvanica. Tensiunea electromotoare a pilei electrice reprezintă diferenţa între potenţialele de electrod ale electrodului pozitiv (catod) şi a electrodului negativ (anod). E=Ɛanod - Ɛcatod Măsurarea tensiunii electromotoare a unei pile electrice se face numai in circuit deschis. Pentru aceasta se utilizează un instrument de măsura (voltmetru) cu rezistenta interna foarte mare R>> 10KW. Lanţul electrochimic al unei pile electrice este următorul: (-)M1 / sol1 // sol2 / M2 (+) Simbolul “/ ” reprezintă interfaţa dintre conductorul de ordinul I si cel de ordinul II - adică intre metal si soluţia de electrolit. In lanţul electrochimic al pilei electrice apare simbolul “// ” care reprezintă cele doua interfeţe intre cei doi

Post on 24-Jan-2020

0 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIE

    Realizatori elevii :

    1.Balaci Nicolae ,

    2.Milotin Cătălin,

    electronica si automatizari - clasa a X a

    Profesori coordonatori :

    1. Danciu Rodica ,

    2. Purcel Lucian ,

    CUPRINS

    1. Noţiuni teoretice despre celule galvanice

    2. Recondiţionarea zincului din baterii uzate

    3. Schemei electrice a stabilizatorului de tensiune de 5 V

    4. Concluzii si observatii

    5. Pila KARPEN

    1. NOŢIUNI TEORETICE DESPRE CELULE GALVANICE

    Pilele electrice sunt dispozitive ce transformă energia chimică în energie

    electrică. Asocierea a doi electrozi formează o pila sau celula electrica sau

    galvanica.

    Tensiunea electromotoare a pilei electrice reprezintă diferenţa între

    potenţialele de electrod ale electrodului pozitiv (catod) şi a electrodului negativ

    (anod).

    E=Ɛanod - Ɛcatod

    Măsurarea tensiunii electromotoare a unei pile electrice se face numai in

    circuit deschis. Pentru aceasta se utilizează un instrument de măsura (voltmetru)

    cu rezistenta interna foarte mare R>> 10KW.

    Lanţul electrochimic al unei pile electrice este următorul:

    (-)M1 / sol1 // sol2 / M2 (+)

    Simbolul “/ ” reprezintă interfaţa dintre conductorul de ordinul I si cel de ordinul

    II - adică intre metal si soluţia de electrolit. In lanţul electrochimic al pilei

    electrice apare simbolul “// ” care reprezintă cele doua interfeţe intre cei doi

  • conductori electrolitici si conductorul ce leagă cei doi electrozi care de regula

    este o punte de sare.

    1.1 Caracteristicile pilelor operaţionale

    a. Tensiunea electromotoare este diferenţa de potenţial dintre polii pilei în

    circuit deschis;

    Tensiunea electromotoare a unei baterii de pile electrice este suma tensiunilor

    elctromotoare a elementelor componente:

    b. Rezistenta interna totala reprezintă rezistenţa opusă de pilă la tecerea

    curentului electric prin ea.

    , unde re reprezinta rezistenţa electrozilor si a electrolitului , iar rp rezistenţa de

    polarizare.

    c. Tensiunea de descarcare (Ed) reprezintă tensiunea circuitului exterior

    închis.

    Ed

  • f. Puterea pilei (P) reprezintă energia debitată de pilă în unitatea de timp:

    1.2. Pile electrice reversibile

    Prezintă următoarele caracteristici:

    - procesul global la electrod este reversibil, adică printr-un proces de electroliză

    numit incărcare, starea electrozilor poate fi adusă la cea iniţială, dinainte de

    descărcare.

    - în circuit deschis nu au loc reacţii electrochimice;

    -în timpul funcţionării pilei, la furnizarea unui curent electric nu prea mare

    tensiunea electromotoare a pilei rămâne constantă. Un exemplu de pilă electrică

    reversibila este pila Daniell-Iacobi cu următorul lanţ electrochimic:

    (+) Cu / CuSO4 // ZnSO4 / Zn (-)

    Reacţiile de electrod in procesul de descărcare al pilei Daniell-Iacobi sunt

    următoarele:

    - reacţia anodica de oxidare :

    - reacţia catodica de reducere

    Reacţiile de electrod in procesul de încărcare sunt următoarele:

    - reacţia de reducere

    - reacţia de oxidare

    , deci s-au refăcut zincul metalic si ionii de cupru. Reprezentarea schematica a

    pilei Daniell Iacobi este prezentata in figura urmatoare:

  • Fig. 1 Funcţionarea pilei Daniell Iacobi

    Potenţialele standard de oxidare pentru diferite metale în scara de hidrogen la

    25° C sunt date în tabelul următor :

    1.3 Cuprul

    Numărul atomic al cuprului este 29, iar simbolul chimic este Cu. Masa

    atomică relativă este 63,546. Valența cuprului este, în principal 1 sau 2 (cuprul

    formează o varietate rară de compuși și săruri cu starea de oxidare +1 și +2, care

    sunt de obicei numite săruri cuproase sau cuprice), deși, mai rar, poate fi chiar și

    3. Acesta nu reacționează cu apa, dar reacționează încet cu aerul atmosferic; în

    urma acestei reacții, pe suprafața cuprului se formează un strat de cupru oxidat

    verde . În contrast cu oxidarea fierului la aer umed, acest strat de oxid se oprește

    din coroziune; un strat de cocleală verde (carbonat de cupru) pot fi observate pe

    construcțiile vechi din cupru, cum ar fi Statuia Libertății, cea mai mare statuie

    din cupru din lume. Majoritatea sărurilor de cupru sunt higroscopice.

    1.4 Zincul

    Zincul este un metal alb-albăstrui, strălucitor al cărui luciu metalic dispare

    repede in contact cu aerul, datorită formării unui strat superficial de oxid care

    împiedică oxidarea lui în continuare.Se poate aprecia ca posedă o bună

    conductivitate termica (61-64% faţă de argint) şi electrică (28% faţă de argint).

    La temperatura obişnuită zincul este fragil şi nu se poate prelucra prin

    laminare. Între 100 si 150 grade celsius devine plastic putând fi forjat sau

    laminat in table subţiri până la 0,05 mm grosime. Datorită temperaturii de

    recristalizare destul de scăzută, incalzit la circa 250 grade, zincul ajunge sa fie

    atât de casant incât poate fi sfărâmat, pâna in stare de pulbere metalică.

    http://ro.wikipedia.org/wiki/Atomhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Simbol_chimichttp://ro.wikipedia.org/wiki/Valen%C8%9B%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Ap%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Statuia_Libert%C4%83%C8%9Bii

  • Rezistenţa de rupere la tractiune creşte de la 2-7 daN/mm2 (în stare

    turnată) la 11-15 daN/mm2 (după laminare), iar alungirea de la 0,3-0,5 % (în

    stare turnată) la 30-40% (după laminare).

    2. RECONDIŢIONAREA ZINCULUI DIN BATERII UZATE

    Zincul necesar realizării electrozilor l-am obţinut prin recondiţionare din

    baterii de 1,5 V tipul R6 şi R20 , uzate. Pentru acest lucru am dat un anunţ prin

    toate sălile de clasă făcând un apel la toţi colegii mai mici sau mai mari.

    Într-o perioadă de cca două luni de zile am reuşit să strângem 84 de baterii

    R6 şi 26 baterii R20.

    Fig. 2 Produse rezultate în urma dezmembrării bateriilor uzate

    Pe lăngă zinc am reuşit să recuperăm şi electrozii de grafit , pe care îi vom folosi

    în viitoarele construcţii.

  • Fig. 3 Topirea bucăţilor de zinc din baterii uzate

    Este necesară topirea zincului în două etape . În prima etapă se topeşte

    pentru a-l separa de impurităţile provenite din bateriile uzate , iar în a doua etapă

    se topeşte pentru a obţine forma dorită a electrozilor necesari în realizarea

    bateriei de pile.

    Fig.4 Separarea zugurei de metal

    Matriţa am confecţionat-o din tablă de cutii de conserve realizând o cutiuţă

    cu dimensiunile 10x25x4 fixată în argilă umedă.

  • Fig. 5 Realizarea matriţei pentru turnarea zincului

    Cutiuţa fixată în argilă se aşează pe o paletă metalică sau chiar de lemn

    cu scopul de a o agita mereu astfel încât zincul topit care se toarnă să nu rămână

    cu goluri de aer în masa sa şi să se aşeze bine în forma prismatică .

    Cuprul necesar confecţionării electrozilor pozitivi a provenit din bucăţi

    de platbandă din infăşurările statorice arse ale electromotoarelor auto. Acesta

    este un cupru electrolitic de puritate foarte mare

    99,99% .

    Nu recomandăm folosirea cuprului din

    bucăţi de ţevi ,deoarece acesta este aliat cu alte

    metale pentru a-i mări rezistenţa mecanică şi

    rezistenta la coroziune. În funcţie de compoziţia

    acestor aliaje de cupru tensiunea pe element ar

    putea scădea chiar la jumătate , lucru total

    nedorit .

    Grosimea nu trebuie să fie prea mare (se

    recomandă să fie de max. 1mm ) ,deoarece

    acesta nu se consumă în timpul reacţiilor redox

    aşa cum se consumă electrodul de zinc.

    Fig. 6 Electrozi de cupru

    Legăturile electrice dintre electrozii de cupru şi zinc aflaţi în celulele învecinate

    se realizează cu şuruburi având Ø3 mm (ideal ar fi ca acestea să fie din cupru sau bronz ).

  • Fig. 7 Electrozilor de cupru şi zinc care se vor monta în celulele galvanice

    Fig. 8 Detaliu de montare al electrozilor de Cu/Zn

  • 3. FUNCŢIONAREA SURSEI DE TENSIUNE

    3.1 Schema stabilizatorului

    Schema stabilizatorului cuprinde ca element principal circuitul stabilizator

    7405 , condensatorul C1 , rezistorul R2 si LED-ul D1. Stabilizatorul oferă la

    ieşire o tensiune de 5 Vcc constantă care poate fi folosită pentru alimentarea

    telefoanelor mobile sau a altor aparate şi dispozitive electronice .

    Fig.9 Schemele de principiu şi de cablaj ale stabilizatorului

    3.2 Prezentarea bateriilor de pile voltaice

    Fig. 10 Legarea în serie a celor două baterii de pile voltaice

    Vom arăta în capitolul următor că fiecare baterie de pile voltaice debitează la

    borne , în funcţie de electrolitul folosit , o tensiune de max. :

    E= 6x 1,1 V=6,6 V

  • Prin legarea în serie a celor două baterii vom obţine :

    Etotal = 6x2=13.2 V

    Această tensiune se aplică între borna +12V şi 0V a sursei stabilizate , iar

    tensiunea de 5Vcc se obţine între borna de 0V şi +5V.

    Fig. 11 Realizarea instalaţiei

    4. CONCLUZII , OBSERVAŢII ŞI RECOMANDĂRI

    Am testat bateriile cu mai mulţi electroliţi dintre care : apă , zeamă de

    lămâi , zeamă de portocale , zeamă de cartofi , Coca – Cola şi Fanta . Rezultatele

    le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14.

    Perioada de timp în care s-au realizat măsurătorile a fost de cca 10 ore .

    Bateriile vor furniza electricitate până la corodarea totală a electrodului de zinc

    sau până la evaporarea electrolitului , însă nu la parametrii din primele ore.

    Puteţi observa diferenţa dintre zeama de portocale şi Fanta care ar trebui

    să însemne acelaşi lucru .Asta înseamnă că putem construi pe acest principiu un

    dispozitiv care să deosebească sucul de portocale autentic , de cel reprodus.

  • Fig. 12 Energia pilei în funcţie de electrolit într-o perioadă de cca 8 ore

    Fig. 13 Parametrii electrici ai pilei în funcţie de electrolit

  • Fig. 14 Puterea pilei în funcţie de electrolit

    Vom analiza şi comportamentul altor electroliţi în speranţa de a obţine

    tensiuni şi curenţi cât mai mari pentru o perioadă cât mai mare de timp . De

    asemeni avem în vedere realizarea unei pile cu suprafeţe mult mai mari a

    electrozilor (creşte curentul !) şi cu o distanţă mai mare între aceştia , astfel

    încât să putem obţine acei 1,1 V mult doriţi.

    Noi , din cauza carcasei din polietilenă pe care am recuperat-o de la un

    acumulator cu plumb 12V/6Ah , nu am putut mari distanţa dintre electrodul de

    cupru şi zinc aflaţi într-o celulă de aceea nici nu am obţinut o tensiune mai

    mare de 0.8 V pe celulă .

    Recomandăm cositorirea electrozilor de cupru şi zinc care se înseriază ,

    pentru a avea un contact electric cât mai bun ,micşorând astfel pierderile de

    tensiune pe rezistenţele de contact.

    Am folosit şurubele din oţel Ø3 cu lungimea de 10mm , care rugineau foarte repede , dacă puneam electrolitul până la nivelul lor.

    Aceste baterii de pile din zinc-cupru şi aproape orice fel de electrolit care

    se găseşte foarte uşor oriunde şi oricând în natură (oţet , vin , bere , etc , deci

    tot ce conţine apă ) , au avantajul că pot fi puse în exploatare imediat ce sunt

    umplute cu lichid , iar apoi dacă nu mai este nevoie de ele , pot fi golite şi

    conservate până la o nouă utilizare .

  • Are dezavantajul că nu poate fi folosită decât staţionar şi oferă curenţi

    mici la ieşire .

    Prin realizarea acestei surse am înţeles cu toţii cât de importante sunt

    aceste metale zincul şi cuprul , dar şi altele cum ar fi litiul , pentru industria

    energetică şi deci pentru economia unei ţări .

    5. PILA KARPEN

    5.1 Nicolae Vasilescu – Karpen. Scurtă biografie.

    S-a născut la Craiova pe data de 28 noiembrie 1870.

    Aici urmează Colegiul „Carol I” şi se dovedeşte a fi un elev

    eminent.Îşi continuă pregătirea la Şcoala Naţională de Poduri şi

    Şosele din Bucureşti pe care o absolvă în 1891 ca şef de promoţie,

    la aproape 21 de ani.

    Lucrează timp de 3 ani ca inginer la Serviciul de Lucrări Publice,

    apoi pleacă la Paris unde frecventează Şcoala Superioară de

    Electricitate pe care o absolvă în anul 1900, în paralel cu aceasta,

    tot la Paris, şi cursurile Universităţii, Facultatea de Ştiinţe, care îl

    licenţiază în 1902 în specialităţile fizică, mecanică şi matematică.

    În 1904 obţine titlul de doctor în fizică cu teza „Recherches sur l’effect

    magnétique des corps électrisés en mouvement”, susţinută la Sorbona. În acelaşi

    an devine profesor al Universităţii din Lille la catedra de Electrotehnică.

    Un an mai târziu, în 1905 se reîntoarce în ţară şi inaugurează cursul de

    Electricitate şi Electrotehnică la Şcoala Naţională de Poduri şi Şosele din

    Bucureşti. Face studii şi proiecte pentru ca această şcoală să fie transformată în

    Şcoală Politehnică. Este rector al acestei instituţii universitare timp de 20 de ani,

    până în 1940. La data de 5 iunie 1919 – devine membru corespondent al

    Academiei Române pentru ca pe 6 iunie 1923 să devină membru titular şi

    membru de onoare al Société française des électriciens. În anul 1941 i se acordă

    titlul de doctor honoris causa al Politehnicii bucureştene. Pe 2 martie 1964, la

    Bucureşti, savantul se stinge lăsând în urma sa o vastă operă ştiinţifică, şi astăzi

    exploatată fără a fi însă recunoscută.

    5.2 Pila Karpen

    În literatura de specialitate pila Karpen se întâlneşte

    (foarte rar) şi sub denumirea de pila K sau pila VK.

    Această pilă, spun „specialiştii”, este o pilă de

    concentraţie, în pofida faptului că inventatorul a

    denumit-o „pilă termoelectrică cu temperatură

    uniformă”.

    Spre deosebire de ceea ce se numeşte pila de

    concentraţie ce are două vase cu electrolit de

    concentraţii diferite, pila Karpen este alcătuită din două

    pile legate în serie. Acestea alimentează un motoraş ce acţionează un

  • microîntrerupător, astfel ca la jumătate de rotaţie a rotorului circuitul este

    deschis şi la cealaltă jumătate este închis. Astfel motoraşul este alimentat în

    impulsuri cu factor de umplere ½, pe perioada a jumătate de rotaţie, cealaltă

    jumătate permiţând pilei să se regenereze, să reîncarce energia consumată.

    Şi treaba asta o face de peste 60 de ani.

    BIBLIOGRAFIE

    1. C.D. Neniţescu Chimie anorganicã, vol.1 şi 2, ed. VIII-a, Editura Didactica si

    Pedagogica, Bucureşti 1973

    2. Carjali Erol, Pomazan Valentina, Peride Niculae, Proiectarea în ingineria

    mecanicã ;

    3. Omura George, Mastering AutoCAD 2005 and AutoCAD LT 2005, Sybex

    Inc.2004;

    5.Documentatii pentru :NI Multisim, Cadence (ORCAD), Eagle PCB and

    Schematic,

    6.http://www.mase-plastice.ro/dictionar/p/ps.html