Το προβλημα

Το βασικό πρόβλημα με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας έχει να κάνει με την φύση τους, δηλαδή με το γεγονός ότι δεν μπορεί να είναι διαρκείς και σταθερές, να είναι πάντα εκεί και να παράγουν ενέργεια. Για παράδειγμα όταν παράγουμε ενέργεια από φωτοβολταϊκά δεν μπορούμε να παράγουμε σταθερά όση ενέργεια χρειαζόμαστε καθόλη την διάρκεια του εικοσιτετραώρου, καθώς ο ήλιος την νύχτα ή τις ημέρες που έχει συννεφιά δεν μπορεί να παράγει αρκετή ενέργεια. Το ίδιο ισχύει και για την αιολική ενέργεια, όπου και αυτή έχει διακυμάνσεις στην παραγωγή, ανάλογα με το πόσο δυνατό άνεμο έχει κάθε ημέρα ή νύχτα. Επομένως για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας θα πρέπει να βρεθεί κάποιος   τρόπος έτσι ώστε ένα μέρος της ενέργεια που παράγεται να αποθηκεύεται και στην συνέχεια να απελευθερώνεται όταν αυτές εκλείπουν, δηλαδή θα πρέπει η ενέργεια που παράγεται από τα φωτοβολταϊκά να αποθηκεύεται με κάποιο τρόπο και την νύχτα που δεν υπάρχει ήλιος για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια να απελευθερώνεται αυτή η ενέργεια, που έχει παραχθεί την ημέρα. Ένας τρόπος να αποθηκευτεί η ενέργεια είναι οι χημικές μπαταρίες, που χρησιμοποιούμε όλοι μας σχεδόν καθημερινά, το πρόβλημα όμως με τον τρόπο αυτό είναι το κόστος, αλλά και η περιβαλλοντική επιβάρυνση που θα υπάρξει για την κατασκευή τόσο τεράστιων χημικών μπαταριών. Εμείς θεωρούμε ότι η καλύτερη λύση για την αποθήκευση της ενέργειας από τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι οι βαρυτικές μπαταρίες.

Τι ειναι μια βαρυτικη μπαταρια

Η μπαταρία βαρύτητας (βαρυτικές μπαταρίες) είναι ένας τύπος συσκευής αποθήκευσης ενέργειας που αποθηκεύει δυναμική ενέργεια. Η ενέργεια αυτή προκύπτει από την αλλαγή ύψους που αποκτά ένα αντικείμενο λόγω της βαρύτητας, που ονομάζεται επίσης δυναμική ενέργεια. Μια μπαταρία βαρύτητας λειτουργεί χρησιμοποιώντας ενέργεια (ηλεκτρική τις περισσότερες φορές) για να ανυψώσει μια μάζα και με αυτό τον τρόπο να δημιουργήσει βαρυτική δυναμική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται για να μετατραπεί από δυναμική ενέργεια σε ηλεκτρική μέσω μιας ηλεκτρικής γεννήτριας. Η ενέργεια που παράγεται από μια μπαταρία βαρύτητας είναι μια μορφή ανανεώσιμης ενέργειας. Μια μορφή μπαταρίας βαρύτητας είναι αυτή που ανυψώνει μια μάζα, όπως ένα μπλοκ σκυροδέματος, χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια από κάποια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, όπως είναι τα φωτοβολταϊκά και στην όταν αυτή εκλείπει τότε χρησιμοποιεί αυτό το βάρος, το οποίο το απελευθερώνει για να κινήσει μια γεννήτρια για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. 

Η λυση που εμεις προτεινουμε

Η πιο κοινή μπαταρία βαρύτητας είναι αυτή που ονομάζεται υδροηλεκτρικής ενέργειας αντλούμενης αποθήκευσης, με την οποία το νερό αντλείται σε υψηλότερα υψόμετρα για αποθήκευση ενέργειας και απελευθερώνεται μέσω υδροστροβίλων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Στο project αυτό θα δημιουργήσουμε μια μακέτα που θα προσομοιώνει την λειτουργία μιας τέτοιας βαρυτικής μπαταρίας αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας παραγόμενης από τον ήλιο. Πιο συγκεκριμένα η βαρυτική μπαταρία που θα κατασκευάσουμε θα χρησιμοποιεί ηλιακή ενέργεια για να κινεί μία αντλία που θα αντλεί νερό από μια δεξαμενή σε μια άλλη που θα βρίσκεται σε μεγαλύτερο ύψος από την πρώτη. Όταν χρειαστεί, δηλαδή όταν δεν μπορεί να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια από τον ήλιο (νύχτα ή συννεφιά), τότε με μια ηλεκτροβάνα θα ανοίγει ένας διακόπτης όπου το νερό από την δεξαμενή θα μπορεί να κινεί έναν υδροστρόβιλο, που θα κινεί μια γεννήτρια ηλεκτρικού ρεύματος, που θα παράγει ρεύμα όπως ακριβώς γίνεται με τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια. Το νερό που θα περνάει από τον υδροστρόβιλο θα καταλήγει πάλι στην πρώτη δεξαμενή (κλειστό σύστημα). Σε τακτά χρονικά διαστήματα θα συμπληρώνεται νερό για να αντιμετωπιστούν οι διαρροές και η εξάτμιση.
https://www.canva.com/design/DAFT4Yp2QRg/watch

Το arduino στο παραπάνω μοντέλο χρησιμοποιείται, ως εξής:

• Ενεργοποιεί και θα απενεργοποιεί την κάθε φάση της διάταξης ανάλογα με το πόσο φως θα είναι διαθέσιμο
• Διαθέτει αισθητήρα ambient light, προκειμένου να απενεργοποιεί την αντλία, και στην συνέχεια να ενεργοποιεί την ηλεκτροβάνα, που θα απελευθερώνει το νερό από την υψηλότερη δεξαμενη.
• Επίσης όταν το φως είναι αρκετό θα ενεργοποιεί την ηλεκτροβάνα προκειμένου να κλείσει την παροχή νερού και να ενεργοποιήσει πάλι την αντλία παροχής νερού

Η υλοποιηση

Όλα ξεκίνησαν με την σύλληψη και τον σχεδιασμό της λειτουργικότητας της βαρυτικής μπαταρίας μας. Το project ήταν στα πλαίσια του ομίλου STEM και Πληροφορικής και ύστερα από αρκετή συζήτηση στην τάξη με τους μαθητές  καταλήξαμε στον τρόπο λειτουργίας αλλά και στην χωροθέτηση της μακέτας. Οι μαθητές είχαν ασχοληθεί με τα κυκλώματα στο Arduino και είχαμε υλοποιήσει αρκετές από τις λύσεις που θα χρειαζόμασταν στο project. Οι μαθητές αρχικά υλοποιούσαν τις λύσεις σε tinkercad και στην συνέχεια τις υλοποιούσαν με πραγματικά κυκλώματα. Ταυτόχρονα ασχοληθήκαμε με την δημιουργία της πρότασης, την δημιουργία του infographic, ενώ παράλληλα  αναζητούσαμε τα υλικά που θα χρειαστούμε για την κατασκευή.

Για την κατασκευή της μακέτας χρειαστήκαμε μακετόχαρτο, χαρτοταινία, αφρό πολυουρεθάνης για το βουνό, χαρτί γκοφρέ και ατλακόλ.

Η κατασκευή θα ήταν πολύ δύσκολο να υλοποιηθεί αν δεν είχαμε την δυνατότητα να σχεδιάσουμε και να εκτυπώσουμε πολλά από τα διάφορα κομμάτια της σε 3D εκτυπωτή. Το εργαστήριο μας έχει την τύχη να  διαθέτει ένα τέτοιο εκτυπωτή και κάποιοι μαθητές του ομίλου μας έχουν εμπειρία στον σχεδιασμό τέτοιων μοντέλων με την βοήθεια του tinkercad.  Με την διαδικασία αυτή δημιουργήσαμε την δεξαμενή αποθήκευσης του νερού στο βουνό, καθώς και το πορτάκι που την ανοιγοκλείνει, το δοχείο που τοποθετήσαμε την φτερωτή, που γυρνάει με το νερό, την φτερωτή, την βάση του δοχείου και  την βάση του φωτοβολταϊκού. Η δυνατότητα να εκτυπώνουμε σε 3D printer, πολλά από τα κομμάτια που χρησιμοποιήσαμε μας έδωσε την δυνατότητα να δημιουργήσουμε κατασκευές απόλυτα προσαρμοσμένες στις ανάγκες μας, όπως για παράδειγμα στην δεξαμενή, πάνω στο βουνό, προσαρμόσαμε και μια βάση για τον κινητήρα, κάτι που μας έδωσε την δυνατότητα να ανοιγοκλείνει με αυτό τον τρόπο.

Η κατασκευή της μακέτας έγινε με την βοήθεια της εικαστικού του σχολείου μας κ. Φωτεινής Παυλόγλου, όπου με τις πολύτιμες προτάσεις της και την τεχνογνωσία της μπορέσαμε να δημιουργήσουμε την μακέτα μας.

Το Arduino

Προκειμένου να υλοποιήσουμε τους αυτοματισμούς που χρειάστηκε η βαρυτική μας μπαταρία, επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε ένα Arduino UNO, από τα πολλά που διαθέτουμε στο εργαστήριό μας. Θεωρήσαμε πως η συγκεκριμένη επιλογή κάλυπτε τις ανάγκες μας, ήταν στα πλαίσια των ανοικτών τεχνολογιών που προάγει ο συγκεκριμένος διαγωνισμός και τέλος επειδή πολλά από τα υλικά υπήρχαν στο εργαστήριο μας θα κρατούσαμε το κόστος της κατασκευής χαμηλά.

Με τους αυτοματιισμούς  θέλαμε να πετύχουμε, η βαρυτικής μπαταρία να λειτουργεί 24/7 χωρίς κάποια ανθρώπινη παρέμβαση, δηλαδή αυτόματα να αναγνωρίζει πότε είναι ημέρα και νύχτα και να λειτουργεί ανάλογα, να αναγνωρίζει αν η δεξαμενή στο βουνό γεμίζει και στην συνέχεια να σταματάει την αντλία έτσι ώστε να μην υπερχειλίζει, όπως επίσης να ενεργοποιεί και την δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας με υδροηλεκτρικό τρόπο, ανοιγοκλείνοντας την δεξαμενή αυτόματα.

Για το κύκλωμα που υλοποιεί αυτούς τους αυτοματισμούς χρειαστήκαμε:

• Αrduino Uno
• Waveshare Αισθητήρας Φωτός I2C – TSL25911
• Gravity Ανέπαφος Ψηφιακός Αισθητήρας Στάθμης Υγρού
• Relay Module – 1 Channel 12V
• Liquid pump
• Φωτοβολταϊκό πάνελ

 

Ο κωδικας

Ο κώδικας που χρησιμοποιήσαμε είναι:

int Liquid_level=0;

#define RELAY_PIN 7

#include <Servo.h>

Servo myservo;  // create servo object to control a servo

int light;    // variable to read the value from the analog pin

void setup() {

Serial.begin(9600);    // We use Serial port for printing sensors’ measurements

pinMode(5,INPUT);

pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);

myservo.attach(9);  // attaches the servo on pin 9 to the servo object

}

void loop() {

  Liquid_level=digitalRead(5);   //Here we read liquid level sensor

  light=analogRead(0);   //Reading light sensor

//print sensors’ measurements to serial

  Serial.print(“Liquid_level=”);

  Serial.print(Liquid_level,DEC);

  Serial.print(” – Φως=”);

  Serial.println(light,DEC);

// if our tank can get more water and we have enough light to produce energy (It’s day time)

  if (Liquid_level == 0  &&  light > 500){

    digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);        // water pump in on

  } else {

     digitalWrite(RELAY_PIN, LOW)  ; // water pump in off if tank is full or it is night time

  }

//Here we are checking light in order to open or close tank

  if (light > 500){

    myservo.write(0);  //tank is closed

  } else {

    myservo.write(180);  // tank is open

  }

delay(100);

}

 

Το τελικό αποτέλεσμα

Εδώ μπορείτε να δείτε βίντεο που δημιουργήσαμε, όπου εξηγούμε τον τρόπο λειτουργίας  της βαρυτικής μπαταρίας.

Συμπερασματα

Μέσα από αυτό το project θελήσαμε να δείξουμε ότι η αποθήκευση της ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν είναι κάτι αδύνατο ή πολύ ακριβό.  Δείξαμε ότι εκμεταλλευόμενοι την άφθονη ηλιακή ενέργεια που διαθέτει η χώρα μας, αλλά και το ιδανικό για δημιουργία ταμιευτήρων νερού ανάγλυφο της χώρας μας μπορούμε να αποθηκεύουμε τεράστιες ποσότητες ενέργειας.

Τέτοιες διατάξεις θα μπορούσαν να εκμεταλλεύονται την άφθονη ηλιοφάνεια της Ελλάδας για να παράγουν ενέργεια, με την οποία θα τροφοδοτούν αντλίες που θα ανεβάζουν το νερό σε κάποιο ταμιευτήρα νερού  που θα μπορούσε να δημιουργηθεί  σε κάποια από τις πολλές κοιλάδες που διαθέτει η χώρα μας, με το τόσο πλούσιο ανάγλυφο. Ένα ακόμα πλεονέκτημα που διαθέτει η διάταξη που δημιουργήσαμε είναι ότι το νερό που χρησιμοποιείται ανακυκλώνεται και γυρίζει πάλι στον αρχικό ταμιευτήρα, επομένως δεν υπάρχει σπατάλη νερού, αφού χρειάζεται μόνο μικρό συμπλήρωμα νερού, για απώλειες που πιθανόν θα υπάρχουν από διαρροές ή/και την εξάτμιση.

Στην πραγματικότητα η διάταξη αυτή θα μπορούσε να λειτουργήσει με διάφορους τρόπους,  είτε όπως εμείς την έχουμε σχεδιάσει, δηλαδή την ημέρα όλη η ενέργεια των φωτοβολταϊκών να καταναλώνεται από  την αντλία είτε μέρος της από την αντλία και ένα άλλο μέρος να κατευθύνεται προς το δίκτυο. Επίσης η υδροηλεκτρική διάταξη θα μπορούσε να λειτουργεί σαν ένα είδος buffer, δηλαδή η αντλία να γεμίζει 24/7 τον ταμιευτήρα, ο οποίος θα παρήγαγε συνεχώς υδροηλεκτρική ενέργεια ανεξαρτήτως αν ήταν ημέρα ή νύχτα, αποτελώντας μια  σταθερή πηγή  ενέργειας για το δίκτυο.

Πιθανες Επεκτασεις

Με την βαρυτική μπαταρία μάθαμε ότι το πρόβλημα της αποθήκευσης της ενέργειας που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν είναι τόσο δύσκολο να επιλυθεί. Επίσης διαπιστώσαμε πως η ηλιακή ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική στην συνέχεια σε δυναμική και από εκεί να μετατραπεί πάλι σε κινητική και τέλος σε ηλεκτρική.

Το τελευταίο κομμάτι της μακέτας μας, δηλαδή το σημείο όπου η κινητική ενέργεια θα πρέπει να μετατραπεί σε ηλεκτρική  δεν προλάβαμε να το υλοποιήσουμε. Έχουμε σκοπό στο μέλλον να συνδέσουμε την φτερωτή που έχουμε ήδη δημιουργήσει με μια γεννήτρια, όπου θα μπορεί να δημιουργεί ηλεκτρισμό από την κίνηση της φτερωτής και θα ανάβει κάποιο λαμπάκι led.

Στο σημείο αυτό θα θέλαμε να επισημάνουμε ότι  για να υλοποιηθεί η παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας στο πλαίσιο μιας μακέτας είναι αρκετά δύσκολο, διότι χρειάζεται μεγαλύτερη ποσότητα νερού, προκειμένου να κινηθεί με δύναμη η φτερωτή.

Μαθητές:

Βανταράκης Θεμοστοκλής
Γεωργόπουλο Γεώργιος
Δεργούτης Κυριάκος
Δεργούτης Πάρις
Δριμάλας Χρύσανθος
Καγκάνης Γεώργιος
Κουστουμπάρδης Νικόλας
Λέγγα Μυρτώ
Σταθόπουλος Κωνσταντινος
Στεργίου Δημήτριος
Τουντόπουλος Διονύσιος
Τσακουμάγκος Κωνσταντίνος
Τσουκανέλη Βασιλική
Φερτάκης Ευθύμης

Υπεύθυνοι εκπαιδευτικοί:

Πέτρος Σταυρόπουλος ΠΕ86

Αγγελική Αρμόνη ΠΕ86

Ευχαριστούμε θερμά για την βοήθεια τις καθηγήτριες του σχολείου μας:

Φωτεινή Παυλόγλου

Γιοχάνα Χαρδαλούπα