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

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

Upload: others

Post on 24-Jan-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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

Page 2: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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 <E

, unde rd reprezintă rezistenţa de descărcare iar Id reprezintă intensitatea

curentului de descărcare.

d. Capacitatea de descărcare reprezintă cantitatea de electricitate ce poate fi

obţinută de la o pila electrică în anumite condiţii de timp, de intensitate de

descărcare, de tensine de descărcare (t, Ed., Id )

, în condiţiile in care intensitatea de descărcare este constantă.

Daca intensitatea de descărcare nu este constantă atunci :

e. Energia pilei (Wd) este energia disipată de pila în circuitul exterior la

descărcare. În condiţiile în care curentul de descărcare este constant, energia se

calculează cu relaţia:

Page 3: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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:

Page 4: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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.

Page 5: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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.

Page 6: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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.

Page 7: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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 ).

Page 8: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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

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

Page 9: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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

Page 10: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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.

Page 11: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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

Page 12: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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 .

Page 13: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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

Page 14: SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIEctmtehnologii.hi2.ro/meridian/SursaNeconventionala.pdf · 2015-11-11 · le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14. Perioada de

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