Человек как источник электроэнергии

Министерство образования  Республики Беларусь

Белорусский национальный технический  университет

(БНТУ)

Энергетический факультет

Кафедра “Экономика и организация  энергетики”

 

 

 

 

Реферат по теме

‘Человек, как источник электроэнергии’

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр.106711                                                         Светинский О.И.

18 декабря  2011 г.

Проверил                                                                                         Нагорнов В.Н.

19 декабря  2011 г.

 

Минск 2011 

Содержание

Введение        ………………..стр.3

Мощность человека         ………………..стр.4

Способы преобразования энергии  человека       в  электроэнергию     ………………..стр.6

Пленки, генерирующие электроэнергию   .……………....стр.8

Хомячковый генератор    ………………..стр.9

Электроэнергия от движущихся пешеходов      и транспорта      ………………. стр.10

Что такое пьезоэлемент?    ………………..стр.11

Заключение      ………………..стр.12

Список используемой литературы  ………………..стр.13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Так как тема для реферата была свободной, то я решил выбрать  то, что меня больше всего интересует. В данный момент это спорт. Но как  же связать спорт и энергетику? Этим вопросом я и занялся. Главной  темой реферата  является выработка  электроэнергии в тренажёрном зале и попутно будет рассмотрен вопрос: ‘Как человек может вырабатывать электроэнергию за счёт своего тела?’ Хочу заметить, что я не пытаюсь в своём реферате совершить некое “научное открытие”, а пытаюсь объяснить методы получения экологически чистой и самое главное бесплатной электроэнергии за счёт тела. Да, энергия совершенно бесплатна, ведь она производится из наших повседневных действий. Ту энергию, которую мы тратим в процессе жизнедеятельности, оказывается, можно преобразовывать в электроэнергию. Конечно энергия получаемая таким путём от одного объекта мала, но, как говорится, копейка рубль бережёт! Итак, приоритеты расставлены, можно преступать к работе!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мощность человека

Давайте для начала разберёмся, какую мощность может развить  человек?

Пусть взрослый мужчина потребляет W = 2200 ккал в сутки, при этом он не толстеет и не худеет. Так как  в одной килокалории 4200 джоулей, то в джоулях эта энергия составляет: W = 2200 * 4200 = 9.24 (МДж). Мощность вычисляется по формуле: P = W/T, где Т это время в секундах за которое эта энергия была потрачена. В сутках 86 400 секунд, поэтому P = 9.24 МДж/86400 с = 107 Вт.

Теперь поставим этого  же человека на беговую дорожку и  попросим бежать со скоростью 13 км/ч. За час он пробежит 13 км и истратит около 1050 ккал, заставив дорожку работать на мощности примерно 250 Вт. За 1 час он истратит почти половину своей суточной потребности в энергии. Какую же мощность он разовьет? Приблизительно 1.2 кВт. Это в 11 (!) раз больше потребления энергии в покое.

При этом коэффициент полезного  действия составляет всего около 20% - только 250 ватт превратится в механическую энергию. Остальная часть должна рассеяться с поверхности кожи, да еще таким образом, чтобы тело находилось при постоянной температуре.

Если нет сильного ветра (фактически наш бегун стоит на месте) или вентилятора, то уже при  этой мощности необходимо начать сбрасывать жидкость - бегун начинает очень  обильно потеть. За счет испарения  пота процесс теплообмена с окружающим воздухом интенсифицируется и излишек  тепловой энергии отводится позволяя поддерживать "рабочую" температуру  тела.

Еще один момент - интенсивность  теплообмена пропорциональна разнице  температуры среды и температуры  объекта. Когда окружающий воздух имеет  температуру в 20 градусов, разница  составляет 17, а когда, например, 32 - всего лишь 5 градусов. То есть, грубо  говоря, теплоотдача падает в три  раза по отношению к аналогичным  условиям с низкой температурой воздуха. Поэтому бегать на жаре практически  невозможно, тело моментально перегревается - а попробуйте побегать при температуре  тела, хотя бы на 2 градуса превышающей нормальную.

Лучше бегуны могут пробежать  за час около 21 км, так что их мощность можно оценить примерно в 2 кВт. Скорость, с которой наше тело может утилизировать химическую энергию и рассеивать ее в виде тепловой, очевидно, ограничена. Теперь становится немного понятнее, почему человек не может бежать с максимальной скоростью (скажем, 36 км/ч) дольше нескольких секунд, учитывая то, какая мощность просматривается на такой скорости.

Конечно, всё зависит от уровня подготовки атлета. К примеру, тяжёлоатлеты в момент рывка могут  развивать мощность до 4кВт. Но это  усилие длится доли секунды. Да и профессиональных спортсменов мало. Хочу немного забежать вперёд и посчитать количество энергии от падения штанги на пол. Пусть не учитывая многих нюансов, только для того чтобы приблизительно знать значения. Итак у нас есть штанга весом в 200кг, поднятая на высоту 2,5 метра. Её потенциальная энергия равна E=mgh=4900дж. Пусть при падении в полезную энергию(ту, которую сможет выработать пьезоэлемент) перейдёт 80% . В конечном счёте, получим 0,001кВТ/ч=1Вт/ч . Величина, согласитесь, довольно скромная. Но это только одно падение штанги! На тренировке делаются десятки поднятий. А что если тренируются несколько атлетов?

Среднюю мощность человека следует брать за 0,1 л.с. Малая величина средней мощности наряду с низким коэффициентом  полезного действия и высокой стоимостью пищи делает невыгодной эксплуатацию человека, как машины-двигателя и является одной из причин вытеснения человека машиной (механизация производственных процессов).

 

 

 

Способы преобразования энергии человека

в электроэнергию

Так как же возможно в  течение тренировки получать электроэнергию? Возможно ли подключить динамо машину в случае как на этой картинке?

На сегодняшний день самым простым способом преобразования энергии человека в электроэнергию являются велотренажёры и беговые дорожки.

Принцип работы очень прост. К тренажерам подключаются автомобильные генераторы, с помощью которых преобразовывается механическая энергия, вырабатываемая людьми во время тренировок, в электричество. Производимая энергия аккумулируется батареями, которые подключаются к преобразователям. Именно через них становится возможным обеспечивать электроэнергией различные приборы в тренажерном зале. Преимущества таких залов рассмотрим на примере  зала Green Microgym, что расположен в США.

Почти на трех тысячах квадратных метров в распоряжении его клиентов силовые тренажеры, кардиотренажеры, зал йоги. Целеустремленность работающих в поте лица атлетов и здесь  используется для выработки электричества  за счет того, что многие тренажеры  подключены к генераторам. 
Совместными усилиями тренирующиеся могут выработать электрический ток мощностью до 750 ватт. Кроме того, три киловатта электроэнергии дают солнечные панели на крыше.

В 2010 году в зале получили 36% от собственной электроэнергии (сочетание  человека и солнечная энергия), и  спасли 37 000 киловатт-часов или 85% (по сравнению с традиционными спортивные залы за квадратный фут). Те 37 тысяч  киловатт-часов сохранены.

Результат, согласитесь, достойный. Но есть одна загвоздка. Окупаемость  оборудования этого тренажёрного зала составляет 15 лет. А с нашей культурой  спорта она составит и все 30. Тем  более, что подключить генератор  к штанги со свободный весом невозможно. Конечно в наше время  любое упражнение можно делать и на тренажёре, но, если рассматривать зал БНТУ, то можно заметить, что комната с тренажёрами почти всегда пустует. Тот же подъём штанги на бицепс можно выполнять и на этом тренажёре. Но особым спросом, опять же он не пользуется.Поэтому эта идея совсем не привлекательна с точки зрения экономики.

Но можно приобрести велотренажёр для выработки электроэнергии в  собственное пользование. Данный тренажёр обойдётся вам приблизительно в 1500$. Его окупаемость будет зависеть только от вас.  Но даже если посчитать по нынешним тарифам то, проведя нехитрые математические вычисления, тренажёр окупится после выработки 66800кВт. Даже если вы будете заниматься каждый день по часу и в механическую энергию будет переходить 250 Вт/ч, то понадобиться 13128 дней, чтобы этот тренажёр окупился. А это 35 лет!!!  
 
Для обычного одного человека часа занятий на велотренажёре вполне достаточно. Так что дома вы его именно за такое время и окупите. А вот в тренажёрном зале тренируется большее количество людей, и окупаемость данного зала в 15 лет вполне реальна.

Пленки, генерирующие электроэнергию

Изобретение способствует выработке  электроэнергии в условиях совершения обычных телодвижений. Материал, применяемый  для созданию пленок, представляет собой специальные наноленты, вмонтированные в кремнекаучук, нарезанный полосками. Сгибаясь, он генерирует механическую энергию в электрическую, что  может быть очень полезным для  зарядки различных гаджетов, начиная  с мобильных телефонов и заканчивая медицинскими приборами типа кардиостимуляторов.  

Наноленты, ставшие основой  революционной разработки, изготовлены  из цирконата-титаната свинца – материала  настоль тонкого, что сто штук подобных полосок, положенных вплотную друг к другу, будут иметь суммарную  толщину один миллиметр. Цирконат-титанат  свинца обладает пьезоэлектрическими  свойствами, то есть создает электрическое  напряжение, в случае внешнего механического  воздействия. В результате, специальные  наноленты генерируют в электричество  до 80% полученной механической энергии.  

Разработка получила название «кремнекаучуковых чипов». Пристонские  инженеры стали первыми людьми, сумевшими  соединить наноленты из цирконата-титаната свинца и кремнекаучук. По мнению ученых, наибольшей эффективностью характеризуется  обувь, изготовленная из данного  материала. Дело в том, что кеды или  кроссовки, содержащие кремнекаучуковые чипы способны накапливать энергию  всех колебаний стопы, осуществляемы  при ходьбе и беге. Также рассматривается  возможность размещать полоски  в районе легких, чтобы они генерировали энергию дыхательных движений грудной  клетки.

 

 

 

Хомячковый генератор

Вы не ошиблись, совсем недавно была предложена разработка, получившая именно такое название. Оказывается, в деле зарядки мобильного телефона нам может помочь домашний питомец. Ни для кого не секрет, что любимым развлечением для хомячков является бег в крутящемся колесе. Однако вряд ли кто-то из нас мог предположить, что это занятие можно легко превратить в источник питания для цифровой техники. К беговому колесу, которое можно приобрести в любом зоомагазине, подключается портативный генератор, работающий по простому принципу преобразования кинетической энергии в электрический заряд. Как только колесо начинает крутиться, генератор обеспечивает питанием телефонный аккумулятор. Согласно подсчетам, всего двух минут бега домашнего питомца будет достаточно для того, чтобы обеспечить ваш гаджет зарядом на целых полчаса. Данный генератор отличается абсолютной экологической чистотой и, что немаловажно, не вызывает никаких нареканий со стороны защитников природы, так как домашнее животное не эксплуатируется, а занимается любимым делом.

 

 

 

 

 

 

 

 

Электроэнергия  от движущихся пешеходов и транспорта

Не секрет, что движущиеся пешеходы и транспорт создают механическое воздействие на подстилающую поверхность  в диапазоне от десятков килограмм  до десяти и более тонн. В различных  странах проведено большое число  экспериментов, при которых на перекрестках дорог, шпалах железнодорожных путей  были встроены пьезоэлектрики. Опыты  показали, что данный способ производства электричества не дорог и позволяет  получить от 10Вт до сотен киловатт электроэнергии.

На ежегодном конкурсе по дизайну  и гостеприимству в Нью-Йорке, спонсором  которого является известный журнал Hospitality Design, был представлен проект студента Майкла Гудсмита «Ночной клуб Эстреллы Састэйнэйбл». По замыслу  Гудсмита «экологически чистый»  клуб освещается с помощью электроэнергии, вырабатываемой ветряными двигателями  и солнечными батареями на крыше. Часть энергии потребляемой различными приборами, в том числе, светомузыкальной аппаратурой, генерирует пьезоэлектрический танцевальный пол. Движения танцоров, их удары ногами о танцевальную площадку преобразуются в электричество, используемое звуковым оборудованием. Для охлаждения области танцпола и снижения энергопотребления применяется  водная стена. Она может использоваться как своеобразный киноэкран, отображающий уровень производимого танцорами  электричества и мотивирующий их танцевать активнее.

 

 

 

 

 

 

Что такое пьезоэлемент?

Пьезоэлектричество — способность вещества при изменении формы продуцировать электрическую силу. Пьезоэлктрики —кристаллы, обладающие свойством при сжатии продуцировать электрический заряд(прямой пьезоэффект) и обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект). Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.

Существуют однослойные, двухслойные  и многослойные пьезокристаллы.

Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.

Двуслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширятели», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

Заключение

На современном этапе представить  нашу жизнь без использования  разных видов цифровой техники стало  попросту невозможно. Отправляясь на отдых, на работу или в командировку, мы никогда не забываем захватить  с собой МР3 или МР4 плеер и  фотоаппарат. Это не говоря уже о  мобильном телефоне, который и  вовсе превратился в один из важнейших  предметов быта. Однако все цифровые гаджеты имеют свойство поддерживать рабочее состояние лишь на время  действия заряда аккумулятора (в зависимости  от модели, этот срок, как правило, составляет от одного дня до пяти суток). Именно поэтому во всем мире идет активный поиск альтернативных источников энергии  для цифровой техники. Некоторые  разработки весьма необычны и заслуживают  внимания.