X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
МГД-ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОТОКАХ МОРСКОЙ ВОДЫ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Природа приготовила нам различные источники энергии. Однако существующие технологии генерации электрического тока приводят к весьма быстрому истощению запасов ископаемого углеводородного топлива, использование которого связано с загрязнением окружающей среды. Атомная энергетика, в настоящее время, не используется в полном объёме вследствие опасения человечеством техногенных аварий по примеру Чернобыля и Фукусимы. Это заставляет человечество активно искать возобновляемые источники энергии, например, черпать энергию в Мировом океане. Морская вода – природный электролит, который содержит большое количество разных ионов – носителей электрических зарядов. Становится заманчивой перспектива – создать устройство, которое будучи встроенное в поток естественных морских течений способно вырабатывать недорогую электроэнергию.
Объект исследования в проекте:магнитогидродинамический способ генерации электрической энергии. Предмет исследования в проекте:магнитогидродинамический генератор электрической энергии первого рода с рабочим каналом фарадеевского типа при электролизе электролита внешним источником тока. Цель проекта:исследовать физико-химические процессы, протекающие в канале МГД генератора фарадеевского типа первого рода при электролизе электролита внешним источником тока. Гипотеза:изменяя полярность и величину электролизующего напряжения можно изменять энергетическую эффективность МГД-генератора. Задачи проекта:провести анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации по выбранной тематике; выявить физические законы и принципы, объясняющие магнитогидродинамический эффект; исследовать физико-химические процессы, протекающие в канале МГД-генератора фарадеевского типа первого рода, через который пропущен электрический ток вызывающий электролиз электролита.
1. Теоретические основы работы МГД – генераторов
1.1. Принцип действия и классификация МГД - генераторов
Принцип работы МГД - генераторов основан на явлении электромагнитной индукции – на возникновении электрического тока в проводнике, пересекающего силовые линии магнитного поля [1]. Роль проводника в МГД - генераторе выполняет или поток электролита (МГД - генератор первого рода) или плазма – разогретый до очень больших температур газ. МГД генератор состоит из канала, по которому движется рабочее вещество, системы магнитов, создающих магнитное поле, и электродов, отводящих электрическую энергию, приложение №1, рис. №1. По конструктивным особенностям электродов рабочего канала МГД - генераторы подразделяют на три основных типа: 1) МГД – генераторы фарадеевского типа, приложение №1, рис. №2. Он имеет или сплошные электроды или секционированные электроды, каждая секция из которых работает на свою нагрузку. Эти генераторы вырабатывают относительно не большое напряжение при большой силе тока; 2) МГД – генератор холловского типа, приложение №1, рис. №3. В нём секции электродов, расположенные одна напротив другой, замкнуты накоротко для увеличения холловского напряжения и тока в тока в нагрузке [3]. Такая нагрузка наиболее выгодна при больших магнитных полях. Он способен выдавать большое напряжение при малой силе тока; 3) МГД – генератор диагонального типа, приложение №1, рис. №4. В нём секции электродов, расположенные одна напротив другой, соединены диагонально. Он несколько сложнее холловского, но его характеристики почти такие же, как у фарадеевского.
1.2. Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле
На заряженную частицу, движущуюся со скоростью в однородном магнитном поле, действует сила Лоренца , которая перпендикулярна вектору и вектору магнитной индукции , приложение №1, рис. №5. При этом работа полем не совершается, энергия частицы и её скорость не меняется. Эта сила закручивает траекторию движения заряженной частицы в дугу окружности. Если смотреть по направлению силовых линий, то отрицательные заряды закручиваются по часовой стрелке, а положительные – против часовой стрелки [2].
(1)где величина элементарного заряда, – начальная скорость частицы, – магнитная индукция. При движении заряженной частицы по дуге окружности на неё будет центростремительная сила :
(2)
где – масса заряженной частицы, – радиус дуги окружности.
Приравнивая уравнение (1) и (2), имеем выражение:
Из этого равенства выразим радиус окружности:
(3)
Проведя анализ формул (1), (2) и (3) можно прийти к следующим выводам: 1) на неподвижные заряды постоянное магнитное поле не действует; 2) чем больше начальная скорость частицы, тем сильнее она стремиться к прямолинейному движению и тем больше будет радиус искривления; 3) чем больше магнитная индукция, тем больше будет искривляющая сила и тем меньше будет радиус искривления.
1.3. Электродвижущая сила МГД - генератора и его КПД
ЭДС МГД – генератора численно равно работе затрачиваемой на перемещение единичного заряда от одного электрода к другому [4]. Эта работа совершается против силы Лоренца (1). При ширине канала выражение для ЭДС МГД – генератора примет вид:
(4)
Анализируя выражение (4), можно утверждать, что электродвижущая сила МГД – генератора прямо пропорциональна начальной скорости рабочего тела , величине магнитной индукции и ширине канала . Рассматривая канал МГД – генератора с рабочим телом как проводник с конечным сопротивлением определим внутреннее сопротивление генератора [3]:
(5)
где: – длина канала, – концентрация заряженных частиц в рабочем теле, - время свободного пробега заряженной частицы; – сечение канала. При подключённой нагрузке ток в нагрузке можно определить согласно закону Ома:
(6)
Общая мощность, развиваемая генератором можно определить по формуле:
(7)
Подставив в выражение (7) выражение (6) общую мощность Роб генератора можно определить как:
(8)
Полезная мощность, выделяемая в нагрузке :
(9)
Мощность потерь :
(10)
КПД МГД – генератора через полезную мощность и общую мощность можно определить по формуле:
(11)
Учитывая, что общая мощность равна сумме полезной мощности и мощности потерь , то получим:
(12)
Формулы 11 и 12 наглядно проиллюстрированы диаграммой, находящейся в приложении №1 рис. №6.
2. Экспериментальная часть проекта
В качестве электролита в своих опытах мы использовали раствор морской соли с pH 7,5-8,5 (слабощелочная реакция) при контролируемой плотности ареометром в приделах от 1020 до 1030 кг/м³, что соответствует средним показателям черноморской воды.
2.1. Теоретические основы ионной проводимости электролита
При прохождении электрического тока через электролит возникает не электронная проводимость как в металлах, а ионная. Ионы, носители зарядов, образуются вследствие диссоциации нейтральных атомов. По степени диссоциации есть слабые и сильные электролиты. Электролитическая диссоциация — это процесс распадения молекул электролитов на ионы под действием электрического поля полярных молекул воды. Степенью диссоциации называется доля молекул, распавшихся на ионы в растворенном веществе. Степень диссоциации равна отношению продиссоциированных молекул вещества n к общему числу его молекул N, выражается в долях или процентах:
(13)
Ионная проводимость (электролиз), возникающая при прохождении тока через электролит, всегда сопровождается переносом вещества. Хлорид натрия – это основной компонент морской воды, по этому физику процесса будем рассматривать только как электролиз хлорида натрия. Если через раствор хлорида натрия пропускать электрический ток, то ионы натрия соберутся у катода, а ионы хлора — у анода. При этом одновременно будут протекать две химических реакций, одна на аноде, другая на катоде:
на катоде:
(14)
Два положительно заряженных иона натрия присоединяют два электрона и образуют два атома натрия, которые вступают в реакцию с водой с образованием гидроксида натрия и газообразного водорода:
(15)
на аноде:
(16)
Два отрицательно заряженных иона хлора отдают два электрона и образуют два атома хлора, которые присоединяют в реакцию с водой с образованием хлорноватистой кислоты:
(17)
Анализируя формулы 14-17, можно сделать вывод, что с электрической точки зрения при электролизе электроны перемещаются от катода на анод с помощью электролита под действием ЭДС источника питания.
2.2. Отбор электрической мощности при ионной проводимости электролита в канале МГД-генератора
Цель опыта: экспериментально доказать возможность отбора электрической мощности при электролизе неподвижного электролита в канале МГД-генератора. Гипотеза опыта: часть электрической энергии электролиза неподвижного электролита в канале МГД-генератора будет выделяться на токосъёмных пластинах. Задачи опыта: экспериментально определить, какая часть энергии электролиза отводится к токосъёмным пластинам МГД-генератора при неподвижном электролите. Если электролиз будет происходить в равномерном магнитном поле МГД-генератора поперёк силовых линий, то часть ионов переместится к его токосъёмной пластине. Положительные ионы будут закручиваться против движения часовой стрелки, со стороны направления силовых линий магнитного поля, а отрицательные - по часовой стрелке. Но так как входной и выходной фитинги, выступающие в качестве анода и катода, расположены вдоль канала МГД-генератора, то положительные и отрицательные ионы, двигаясь навстречу друг другу, окажутся смещёнными магнитным полем к одной и той же токосъёмной пластине. Электрическая схема опыта представлена в приложении №2, рис №9.
Анализируя схему опыта ионной проводимости канала МГД-генератора с отбором электрической мощности на токосъёмные пластины можно утверждать, что электрический потенциал между токосъёмными пластинами возможен только в одном случае, когда количество положительных и отрицательных ионов перемещённых к одной токосъёмной пластине МГД-генератора будет различно.
При проведении опыта внешнее напряжение поднималось дискретно с шагом по три вольта в диапазоне от нуля до 27 вольт, сопротивление нагрузки МГД-генератора составляет 1кОм. Результаты измерений сведены в приложении №2, табл. №1.
Анализируя таблицу №1, можно сделать следующие выводы: 1) Сопротивление канала между фитингами нелинейно. Нелинейность объясняется процессами газообразования и нагрева электролита. Вольтамперная характеристика (ВАХ) канала представлена на приложение №2, рис. №11: 2) При смене полярности электролизующего напряжения изменяется полярность электрического потенциала между токосъёмными пластинами МГД-генератора при электролизе неподвижного электролита; 3) При электролизе неподвижного электролита в канале МГД-генератора очень малая часть энергии отводится к токосъёмным пластинам. Эффективность отбора мощности составляет не более 0,00012%. Это объясняется тем, что к пластине подходят парные носители зарядов, компенсируя друг друга; 4) Зависимость выходного напряжения МГД-генератора при электролизе неподвижного электролита от сопротивления нагрузки при величине электролизующего напряжения в 27вольт имеет достаточно большой линейный участок, представленный в приложении №2, рис №12.
2.3. Влияние электролиза электролита МГД-генератора на его штатный режим работы
Цель опыта: экспериментально определить влияние электролиза электролита МГД-генератора на его штатный режим работы. Гипотеза опыта: с помощью электролиза электролита в канале МГД-генератора можно изменять его электрическую эффективность. Задачи опыта: построить зависимость выходного напряжения действующей модели МГД-генератора от сопротивления нагрузки при штатном режиме работы; построить зависимость выходного напряжения действующей модели МГД-генератора от сопротивления нагрузки при электролизе подвижного электролита; сравнить полученные результаты. Электрическая схема эксперимента представлена в приложении №2, рис. № 13. Опыт проводился при величине электролизующего напряжения в 27 вольт, создающего ток, проходящий через канал в 0,11 ампер. Результаты измерений сведены в приложении №2, табл. № 2. Данные таблицы №2 удобно представить в виде графика в приложении №2, рис. № 14.
Анализируя таблицу №2 и рис. №14в приложении, можно сделать следующие выводы: 1) Электролиз электролита в канале МГД-генератора внешним источником электрической энергии улучшает зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки в самой нагруженной части зависимости выходного напряжения от сопротивления нагрузки; 2) Улучшение энергетической эффективности за счёт электролиза в канале МГД-генератора внешним источником электрической энергии экономически не выгодно, так как на электролиз тратится больше энергии, чем при этом выделяется на токосъёмных пластинах; 3) Улучшение зависимости выходного напряжения от сопротивления нагрузки при электролизе электролита в канале МГД-генератора внешним источником электрической энергии происходит за счёт увеличения выходного тока в самой нагруженной части характеристики, что не противоречит формуле №4, приведённой в пункте 1.3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Поднимая вопрос о конструировании МГД-генератора способного работать в естественных потоках морской воды необходимо решить две основные конструкторско-технологические задачи: это повышение энергитической эффективности МГД-генератора, это и обеспечение экологической безопасности эксплуатации МГД-генератора. Эсли вторая задача решается применением таких токосъёмных пластин, которые будучи химически энертными к морской воде обладали высокой способностью проводить электрический ток, то первая требует создание такого канала МГД-генератора, который способен «улавивать» на своих токосъёмных пластинах заряженные частицы обладающие различной массой и начальной скоростью. В ходе выполнения проекта нами экспериментально была доказана возможность построения МГД-генератора первого рода с рабочим каналом фарадеевского типа, для которого в качестве электролита можно использовать морскую воду. Входе испытания действующей модели магнитогидродинамического генератора электрической энергии первого рода дано объяснение физико-химическим процессам, протекающим в канале МГД генератора фарадеевского типа первого рода при электролизе электролита. Экспериментально была доказана возможность улучшения зависимости выходного напряжения от сопротивления нагрузки в самой нагруженной её части для МГД-генератора при электролизе электролита внешним источником электрической энергии. В тоже время было определена низкая энергетическая эффективность этого метода. Эксплуатация изготовленной нами действующей модели МГД-генератора выявило её не высокий КПД. Решить эту проблему мы предполагаем двумя способами: экстенсивно, за счёт увеличения магнитного потока в рабочем канале и интенсивно, за счёт оптимизации формы рабочего канала, но это уже будут темы наших следующих проектов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Журнал «Наука и жизнь» 2015 №8; №9.
Жеребцов И.П. «Основы электроники» 5-е издание, переработанное и дополненное. — Ленинград: Энергоатомиздат, 1989. — 352 с.: ил. — ISBN 5-283-04448-3.
http://kvant.mccme.ru/1980/11/mgd--generator
ПРИЛОЖЕНИЯ 1-3
Приложение №1. Рисунки
Приложение №2. Рисунки и таблицы
Приложение №3. Фотоотчёт