Termodynamisk oplader

Transkript

1 2014 Termodynamisk oplader Anja Neergaard, Johanne Meidal, Freja Mølgaard og Louise Elvstrøm Hjallerup Skole

2 Indholdsfortegnelse: Indledning Side 3 Problemformulering Side 3 Beskrivelse af opladeren og dens komponenter Side 4 Hvad består den af? Side 4 Peltier-Seebeck elementet Side 5 Kredsløb Side 5 Kredsløb med zenerdiode Side 6 Kredsløb med spændingsregulator Side 6 Uden noget sikringskredsløb Side 7 Anvendelsesområder Side 7 Arbejdsproces med forsøg Side 8 Videreudvikling Side 12 Konklusion Side 12 Kildeliste Side 13 2

3 Indledning Forestil dig, at du er en nødhjælpsarbejder, som står i en landsby i en af Afrikas jungler, som har voldsomt brug for nødhjælp. Du finder din satellittelefon frem, og skal til at ringe efter assistance, da du opdager, at der ikke er mere strøm tilbage. Da du står i midten af junglen, kommer der ikke nok sollys ned, til at du kan bruge din solcelleoplader. Hvad gør du så? Vi har lavet en strømkilde, der kan give strøm i situationer, hvor man normalt ikke kan få strøm. Strømkilden er et middel, som nødhjælpsarbejdere kan bruge nemt, når de er ude for at hjælpe. Vi har lavet en strømkilde, som kan lade op uafhængigt af vind og vejr. Ved brug af denne oplader, kan nødhjælpsarbejderne oplade deres satellittelefoner og så de kan kommunikere. Derudover - i mindre perspektiv - kan den også bruges i forbindelse med friluftsliv. For eksempel hvis nogen er gået galt og ikke kan finde tilbage, er det praktisk at kunne lade sin mobil op, så man kan ringe efter hjælp. Som løsning på problemet har vi valgt at lave en termodynamisk oplader, der kan bruges overalt i alle vejrsituationer, og som er uafhængig af lys. Opladerens strømkilde er et Peltier-Seebeck element, der laver strøm ved temperaturforskel. Dette er ret praktisk, da du for det meste har mulighed for at lave varme eller kulde. Problemformulering I vores projekt vil vi finde ud af om det er muligt for personer i vores alder og med vores kompetencer at fremstille et produkt, der kan være med til at hjælpe hjælpeorganisationer med deres arbejde. Vi vil forsøge at udvikle en strømforsyning der er uafhængig af klima og strømkilder til at drive de apparater, der er nødvendige i nødsituationer. Hvorledes kan der, uafhængigt af klima og infrastruktur, laves en strømforsyning til hjælpearbejdets teknologiske hjælpemidler? 3

4 Beskrivelse af opladeren og dens komponenter Hvad består den af? Vores oplader består af: - Kuldekilde - Kølepasta - Peltier-Seebeck elementer - Kølerister - Varmekilde - Ledning med A female USB-stik Vi starter i toppen, hvor gryden er beholderen for det, der fungerer som køleelementet. I vores forsøg har vi brugt is for at holde en lav temperatur i så lang tid som muligt. Nedenunder sidder Peltier-Seebeck elementet med kølepasta på hver side, så forbindelsen mellem kulde- og varmeelementerne forbedres. Man kan finde Peltier-Seebeck elementet i en køleboks, hvor den omdanner strøm til temperaturforskelle. Efter Peltier-Seebeck elementet er vores kølerist, som vi bruger som varmerist, så den leder varme til Peltier-Seebeck elementet. Helt i bunden er varmekilden, som i vores tilfælde stammer fra 4 fyrfadslys. Vores varmerist fordeler varmen jævnt op til Pertier- Seebeck. Vi har forbundet de to termodynamiske opladere i en serieforbindelse, således at vi optimerer vores oplader og fremstiller mere strøm. Til sidst har vi koblet en USB-ledning til Peltier-Seebeck elementerne, og ender med at have strøm nok til at oplade et batteri i en smartphone, hvilket vi ikke ville have været i stand til, hvis vi kun havde haft én oplader, men netop fordi vi har forbundet dem, kan det lade sig gøre. 4

5 Peltier-Seebeck elementet Den vigtigste komponent i vores termodynamiske oplader er Peltier-Seebeck elementet, da det er det vi bruger til at producere strøm. Elementet producerer strøm ved hjælp af varme og kulde forskelle, og man kan få forskellige elementer, der kan holde til forskellige temperaturforskelle. Vores element kan holde til en temperaturforskel på op til 300 grader, men indtil videre er vores højeste temperaturforskel på ca. 67 grader. Peltier-Seebeck elementet består af en kold og en varm side, og inde i elementet er der nogle stokke af høj og lav densitet, der står i et bestemt mønster. Den elektronvandring, som atomerne laver, går igennem stokkene af høj densitet, hvor stokkene af lav densitet virker som en barriere. Man kan sammenligne det med en labyrint, hvor stokkene af høj densitet skal forestille at være gangen, og stokkene af lav densitet er muren, der forhindrer strømmen i at gå på kryds og tværs. For at kunne lave strøm skal elementet modtage varme på den varme side og kulde på den kolde side. Når temperaturforskellen bliver så stor, at elementet kan producere strøm, begynder atomerne i elementet enten at afgive eller optage elektroner, så de alle får otte elektroner i den yderste skal, og dermed kommer til at ligne den ædelgas, de minder mest om. Vi har lavet et eksempel: De atomer, der minder mest om Helium, får selvfølgelig kun to elektroner i den yderste skal, da ædelgassen Helium kun har to elektroner i den yderste skal. Når alle elektroner har otte - eller for nogens vedkommende to - elektroner i den yderste skal, opstår der en elektronvandring, der går igennem stokkene af høj densitet og dermed danner en jævnstrøm. Strømmen går så videre ud i ledningerne, som vi har tilsluttet et USB-stik til at sætte i en mobil. Kredsløb Når vi skal have strøm ud af noget, bliver vi selvfølgelig nødt til at have et kredsløb.vi har afprøvet forskellige kredsløb for at se hvilket kredsløb, der fungerede bedst. Nedenunder har vi beskrevet de tre kredsløb nærmere. Vores kredsløb er forbundet sådan, at de to strømkilder er forbundet i en serieforbindelse. 2 af ledningerne har vi samlet i en samlemuffe (+ til -). Vi har loddet et USB stik (A female) til de 2 andre ledninger, så vi kan forbinde vores telefon med opladeren og få den opladet. Der kan også tilkobles andre apparater, hvis bare de har et A male USB stik. 5

6 Kredsløb med zener diode Et af de kredsløb vi overvejede at bruge til vores oplader, var med en zener diode. Det den gør er, at den forhindrer overspænding til mobiltelefonen. Det betyder at hvis der ligger mere end zenerspændingen (som i vores tilfælde er 5,6V) over den, begrænser den spændingen. Det den egentligt gør er, at den belaster kredsløbet, så der er den ønskede spænding til rådighed. Det vil sige, at hvis der er et input på op til 5,6V så er dioden lukket, men hvis spændingen stiger, så åbner den og leverer stabilt 5,6V. Man kan selvfølgelig købe zenerdioderne med andre værdier, alt efter hvad man skal bruge dem til. Vi bruger den med 5,6V, fordi vi ikke vil risikere at give overspænding til telefonen, når den bliver opladet. Der skete dog det, at når vi satte den ind i vores kredsløb, tog den alt for meget strøm, som kunne bruges til at oplade vores telefon eller andre elektriske apparater med. Kredsløb med spændingsregulator LM7805 Et andet kredsløb, som vi afprøvede, var med en LM7805. Komponentens funktion er, at det kan reducere en spænding (volt) til 5V. Regulatoren kan købes i forskellige størrelser, alt efter hvor mange watt man forbruger. Ud fra selve navnet kan man se hvad dens funktioner er. 78 indikerer at den giver en positiv spænding. Hvis man i stedet for har en 79 vil den tilsvarende give et output på max. -5V. 05 indikerer, at den giver en spænding på max. +5V. Når man bruger spændingsregulatoren vil der altid være et diodetab på ca. 0,6V, så hvis der kommer 5V ind vil der være et output på 4,4V eller hvis der er et input på 5,6V så vil der være et output på 5V. Vi ville have den til at lave et output på cirka 5V, for at være sikker på at telefonen ikke blev udsat for overspænding, når den skulle oplades. Vi havde fået vores oplader til at levere 7,51V og 0,35A det vil sige ca. 2,6W. Vi ville dog alligevel se om komponenten, kunne bruges til at sikre mobilen mod overspænding. Da vi satte den ind i kredsløbet, målte vi volt og ampere på begge sider af regulatoren. Vi målte at vi havde et input på 7,50V og 0,35A, altså ca. 2,6W. På 6

7 den anden side af LM7805 målte vi, at der kom 4,7V (den er ikke helt oppe på 5V, men det kan skyldes dårlige forbindelser, unøjagtigheder og så var der sat en belastning, på mens vi aflæste målingerne) og 0,31A (amperene er faldet med 0,04A, fordi spændingsregulatoren skal bruge en smule for at fungere), som omregnet bliver til 1,457W. Komponenten gjorde altså at vi faktisk fik færre watt når vi indsatte regulatoren. Før vi satte den ind i kredsløbet havde vi 2,6W til at oplade vores telefon fra, og efter den blev sat ind havde vi kun 1,457W. Derfor valgte vi ikke at bruge den i vores kredsløb, fordi sikringskredsløbet igen kostede for meget effekt, som vi kunne bruge til at oplade telefonen. Uden noget sikringskredsløb Vi endte med at bruge et kredsløb, hvor vi ikke satte nogen spændingsregulerende komponenter ind. Det valgte vi, fordi vi kunne se, at når de blev sat til, var der for stort effekttab, derfor ville det tage længere tid at oplade telefonen fuldt op. Vi regnede ud, at med et af sikringskredsløbene, ville det tage op til 2 uger at lade en telefon helt op! Uden sikringskredsløb beregnede vi at det ville tage ca. 2 dage, så det er en væsentlig forskel. Vi fandt også ud af, at stort set alle telefoner i dag har et indbygget ladekredsløb, som gør at de kan tåle en vis mængde overspænding, men det varierer fra telefon til telefon. Batterierne i mobiltelefonerne er typisk på 3,7V, men der skal ca. 10% overspænding til, før mobiltelefonens indbyggede ladekredsløb vil begynde at lade. Anvendelsesområder Vores oplader kan anvendes mange steder, vi vil dog kun nævne nogle. Det anvendelsesområde som vi tror, vores opfindelse vil gøre mest gavn i er i katastrofeområder. Nødhjælpsarbejderne mangler en stabil strømkilde til opladning af satellittelefoner mm., så de altid kan kontakte hinanden. I dag bruger de strøm fra solceller og fra vindmøller, men som alle ved skal der være lys til solcellerne og vind til vindmøllerne før de fungerer. Der måtte findes en alternativ måde at producere strøm på. Ud fra at man altid kan finde temperaturforskelle, tænkte vi at en oplader, baseret på det ville være stabil.. Udover katastrofeområder, kan vores oplader bruges mange steder, for eksempel kan vores oplader også bruges hos almindelige afrikanere. I dag har de lygter, som oplades af sollys. Selve opladningen tager 6 timer, og når den er 100 % opladt, kan 7

8 den max. lyse i 2 timer. Det er dog ikke kun i udlandet, vores oplader kan bruges. Se bare på friluftslivet, der har man ikke adgang til strøm. Vores oplader ville fungere godt, og friluftsmennesker vil få adgang til strøm, uden at skulle være i nærheden af en stikkontakt. I vores gruppe, er 3 ud af 4 er spejdere, så vi kender den fornemmelse, når man står og skal bruge sin mobil, og opdager den er løbet tør for strøm. Arbejdsproces med forsøg Forsøg 1: I vores første forsøg med opladeren placerede vi bare delene ovenpå hinanden for at se, om det ville virke. Det første vi gjorde, var at sætte strøm til Peltier-Seebeck elementet, for at finde ud af, hvilken side, der var den kolde side, og hvilken side, der var den varme. Derefter placerede vi et sæt køleriste, der er beregnet til at opfange kulde, men som også kan bruges omvendt til at opfange varme, på to mursten, så der var plads til at sætte et stearinlys under, der skulle fungere som vores varmekilde. Ovenpå køleristene lagde vi Peltier-Seebeck elementet med den varme side ned mod ristene og den kolde side op ad. Ovenpå den kolde side placerede vi en gryde, som skulle være beholderen til vores kuldekilde. Da vi tændte for stearinlyset og hældte vand i gryden, gav opladeren et lille udfald på 0,34V og vi vidste at vi skulle op på mindst 3,7V for at kunne oplade en mobil, så der var lang vej endnu, men den virkede. Grunden til at vores udfald var så lille, var at flammen fra stearinlyset var for høj, og dermed gik op og opvarmede ristene. Man skulle umiddelbart tro, at det var positivt, da der så kom mere varme op til Peltier-Seebeck elementet, men tapperne sidder så tæt på gryden, at gryden også blev opvarmet. Det resulterede i, at temperaturforskellen blev mindre, og der blev derfor produceret mindre strøm. Der var dog også en anden logisk forklaring på vores lille udfald, for alle delene til opladeren, var jo ikke sat 8

9 sammen endnu, så der var ikke særlig god forbindelse mellem de forskellige dele, og Peltier- Seebeck elementet kunne derfor ikke modtage alt det varme og kulde, det havde brug for. Forsøg 2: I vores andet forsøg skruede vi alle delene til opladeren sammen, så der ville komme en bedre forbindelse mellem dem, og så vi kunne flytte rundt på den uden, at den gik fra hinanden. Vi forbandt de forskellige dele med kølepasta, der for det første er strømledende, og for det andet ikke størkner, så vi kunne skille delene fra hinanden igen, hvis vi skulle få brug for det. Vi satte også en klods ind mellem Peltier-Seebeck elementet og køleristen, så der blev en større afstand mellem den varme og den kolde side, for at stearinlysene ikke ville varme vandet i gryden op. Efter de små forbedringer vi havde lavet gav opladeren et udfald på 0,55V, så vi var stadig langt fra at kunne lade en mobiltelefon op. Lyset, som vi brugte, var stadig det samme, så flammen var igen for stor, og gik dermed stadig op og opvarmede vandet. Grunden til at vi ikke havde skiftet lyset ud, var for at se, hvor meget det egentlig gjorde, at alle delene blev sat ordentligt sammen, og hvor meget det gjorde, at der blev sat en klods imellem den varme og kolde side, for at gøre afstanden større. Før var spændingen på 0,34V og nu er den på 0,55V, så vi kan se at spændingen er steget med 0,21V og kunne dermed konkludere at det gjorde en stor forskel, at delene var skruet ordentligt sammen. 9

10 Forsøg 3: I vores to andre forsøg fandt vi ud af, at vores Peltier-Seebeck element ikke var effektiv nok til at producere så meget strøm, som vi havde brug for til at lade en mobil op, så vi købte et nyt element, der var fem gange så effektivt som det gamle. Vi skiftede det nye Peltier-Seebeck element ud med det gamle og fandt nogle mindre stearinlys, så flammen ikke kunne nå op til tapperne. Denne gang besluttede vi os for at sætte 2 stearinlys under tapperne og tage iskoldt vand i beholderen, der havde stået i køleskabet, for at få en højere temperaturforskel. Grunden til at vi ikke havde brugt iskoldt vand før nu, var at vi ville prøve med de ressourcer man har ude i naturen, for at gøre forsøget så realistisk som muligt. Vi fandt ud af, at man egentlig ikke behøvede at have iskoldt vand på den kolde side, hvis man fx havde et bål på omkring 400 grader som varmekilde, for selvom vandet i beholderen på den kolde side ville begynde at koge, ville der alligevel være en temperaturforskel på ca. 300 grader, og det er det, der får elementet til at lave strøm. Vi troede i starten at man skulle have noget koldt på den kolde side, og noget varmt på den varme side, men det behøvede egentlig ikke, så længe kilden på den kolde side bare var koldere end kilden på den varme side, så vi fandt ud af at vores oplader egentlig var mere effektiv end vi regnede med, da det jo ikke er alle steder, det er muligt at få fat i iskoldt vand. Med det nye element og de nye forbedringer producerede vores oplader 3,7V, som lige præcis er den spænding man skal have, for at kunne oplade en mobil, men når mobilen bliver sat til opladeren, kommer der som regel et tab, da mobilen jo er en modstand, så vi skulle gerne op på flere Volt. 10

11 Forsøg 4: I vores fjerde forsøg satte vi opladeren med det nye Peltier-Seebeck element sammen med opladeren med det gamle Peltier-Seebeck element i en serieforbindelse, så vi kunne producere mere strøm. I vores tidligere forsøg fandt vi ud af, at det gamle element producerede 0,5V og det nye element producerede 3,7. Ved hjælp af de to tal regnede vi ud, at opladeren nu ville producere 4,3V. Denne gang brugte vi 3 stearinlys under hver Peltier-Seebeck element som varmekilde og iskoldt vand igen som kuldekilde. Den nye opstilling producerede 4,15V, som var lige præcis nok til at lade en mobil op. Grunden til, at der manglede 0,15V for at komme op på 4,3V, var at vi manglede en klods til opladeren med det gamle Peltier-Seebeck element til at adskille den varme og den kolde side fra hinanden, så vandet blev hurtigt lunkent. Da vores strømkilde nu var effektiv nok til at lade en mobil op, loddede vi et USB-Stick på de to ledninger, som ikke forbandt de to opladere med hinanden. Vi satte en mobiltelefon i USB- Sticket for at se om det virkede, og det gjorde det. Forsøg 5: I vores femte forsøg femte forsøg ville vi se, om det var muligt at gøre vores oplader mere effektiv, så vores mobil ville lade op hurtigere. Som varmekilde ville vi nu bruge fire stearinlys under hver Peltier-Seebeck element, og som kuldekilde ville vi bruge isterninger, så vores 11

12 kuldekilde hele tiden ville være nul grader. Dette forsøg resulterede i, at vi fik produceret 3,41mA og 6,30V, og selvom at spændingen, for at kunne lade en mobil op, er 3,7V er 6,30V ikke for meget for den, da de normalt kan tåle helt op til 9V. Videreudvikling Vi lavede en ny opstilling, som består af 5 komponenter: - Blæser - Kølerist - 2 Peltier-Seebeck elementer - Bøjet aluminiums plade - Stearinlys Øverst i opstillingen havde vi en blæser, som blæste kold luft ned på køleristen. Under køleristen sidder de to Peltier-Seebeck elementer, som er sat fast på en aluminiums plade, som er bøjet 90 i begge ender, så det har samme form som et U der er vendt på hovedet. Det gør at der nedenunder er plads til at stille stearinlys. Blæseren skulle bruge 0,058A og går i gang ved 3 V men har det bedst ved 5V, det vil sige at vi faktisk kan starte den, ved blot at tænde stearinlysene nedenunder. Der ved vil Peltier-Seebeck elementerne begynde at producere strøm, for de skal jo bare bruge en temperaturforskel. Når blæseren så begynder at blæse, vil køleristen blive afkølet, derfor vil der komme en større temperaturforskel. Det betyder at der derfor vil blive produceret mere strøm, som vi så kan bruge til at lade vores elektriske apparat op. 12

13 Forsøg 1: I vores første forsøg prøvede vi os lidt frem med hvad der virkede bedst for os. Vi startede med at sætte 2 stearinlys under aluminiumspladen for at få en varmeforskel. Vi satte derefter blæseren til en strømforsyning, hvor vi satte spændingen på 5V, for at se om vores opstilling egentlig fungerede. Opstillingen fungerede egentlig okay, men køleristen blev varmet op af aluminiumspladen, så temperaturforskellen var ikke særlig høj, men vi havde dog en varmeforskel på ca. 200 og det gav et output på 3,44V. Resultatet var meget godt taget i betragtning af at det var første forsøg, men spændingen bliver nødt til at blive højere, for at kunne lade en mobil op. Forsøg 2: Opstillingen, som vi brugte i forsøg 2, var den samme som i forsøg 1, bortset fra at vi brugte nogle flere stearinlys denne gang, fordi vi håbede på et større output. Vi måtte desværre indse at de mange lys ikke gav den store forskel, så vi måtte ty til andre metoder. Vi tog en lille rund beholder og puttede husholdningssprit i, som vi derefter satte ild til. Spritten gjorde, at det ene 13

14 lys fungerede som et ekstremt fyrfadslys, og er dermed mere praktisk, da man kun behøver et lys og ikke seks. Det ene lys var effektivt nok til at producere 5,7V (selv da den var belastet) og dermed blev vores nye prototype mere effektiv end vores gamle oplader med et køleelement, der bestod af isterninger. Vi prøvede at sætte en mobil til, for at se om den opladede, og det gjorde den. Det er egentligt lidt interessant at en beholder med sprit på størrelse med et fyrfadslys er 3 gange så effektivt som 6 almindelige fyrfadslys. Sprit er selvfølgelig lidt farligere at arbejde med, men det kan vi også arbejde videre på, så vi får en mere sikker og effektiv varmekilde. Til sidst tog vi køleblæseren ud af den eksterne strømforsyning, og koblede den på vores egen Peltier-Seebeck. Derved fik køleblæseren strøm fra Peltier-Seebeck elementet, imens den producerede strøm som vi kan bruge til at oplade. På den måde blev vores oplader uafhængig af eksterne strømkilder. Vi er dog langt fra færdige med at videreudvikle. Vi har tænkt os at prøve at bruge et bål som varmeelement, både med den gamle opstilling og den nye opstilling. Den gamle opstilling vil have en temperaturforskel på ca. 300, hvis vi bruger is som kuldeelement og bål som varmeelementet, fordi bålet vil være omkring og vandet med isterningerne er 0. Hvis vandet koger ville opstillingen stadig være effektiv, da vandet ville være omkring 100. På den måde vil vi med sikkerhed få en stor nok difference mellem temperaturerne til at få watt nok til at lade telefonen op. Bålet vil også fungere godt som varmeelement i vores nye opstilling (den med blæseren som kuldeelement) fordi blæseren stadig vil kunne afkøle køleristene øverst. Derfor vil der stadig være en stor nok temperaturforskel til at levere watt nok til at kunne oplade telefonen. Konklusion Vi har fundet ud af, at det er muligt, for personer på vores alder og med vores kompetencer, at fremstille en oplader der er uafhængig af vind og vejr. Vi fandt også ud af at det ikke kunne svare sig at have et sikringskredsløb, når vores oplader ikke producerer mere strøm end den nu engang gør. Vi ønsker dog stadig at optimere den, så den kan blive lige så effektiv som nødhjælpsarbejdernes opladere. 14

15 Vi håber på, at vores oplader kan bidrage til at gøre nødhjælpsarbejdet mere effektivt og hurtigt, da brugen af strøm er vigtig for at kunne kommunikere med de andre hjælpearbejdere. Vores produkt er miljøvenligt, og kan blive mere effektiv end solceller og vindmøller, hvis det bliver videreudviklet. Vores produkt vil også kunne hjælpe de fattige i Afrika ved at få lys til for eksempel lektielæsning. Kildeliste Opgave af Jacob Østergaard - Peltier effekten. Bog: Ny fysik/kemi 9. klasse 15