XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Использование естественных и искусственных источников электромагнитных волн, как альтернативных источников энергии
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность
В современном мире запасы углеводородного сырья стремительно сокращаются. Это обусловлено развитием энергоемких технологий производства, транспорта, связи. Основа получения тепловой, электрической, механической энергии в современном мире является нефть, уголь и природный газ. Последние тенденции развития научно-технического прогресса определяют стремление к поиску и переходу на альтернативные источники энергии. К альтернативным источникам энергии можно отнести солнечную энергию, энергию ветра, гидроэлектростанции. Отдельно можно выделить атомную энергетику. Однако рассмотренные альтернативные источники энергии обладают рядом недостатков:
Солнечная энергия может извлекаться путем использования солнечных батарей, но получение энергии возможно в световой период суток. Значительно влияет на эффективность и количество извлекаемой энергии климатические условия (туман, дождь). В северных регионах в зимний период времени длительность светового дня значительно короче, чем в южных. Установка таких конструкций дорогая, а при утилизации нужно переработать ядовитые вещества, такие как галлий, свинец. А для высокой выработки энергии нужны большие площади.
Использование ветряных электростанций возможно в районах с равнинной местностью и интенсивным ветром (Калмыкия, Новоалександровск Ставропольского края). Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии из-за непостоянства силы ветра и из-за этого величина вырабатываемой электроэнергии неравномерна. У крупных ветроустановок возникают технические затруднения с техническим обслуживанием и ремонтом, поскольку замена деталей на большой высоте работа сложная и дорогая. Для работы ветроустановок нужен ветер со скоростью не менее 10 км/час, а таких районов не так много (Ставропольский край, Адыгея, Ростовская область, Крым, Белгородская область, Оренбургская область, Астраханская область, Мурманская область).
Гидроэлектростанция строятся в весьма специализированных местах, при совпадении специфических природных условий: наличие реки с интенсивным течением, возможность постройки плотины, неиссякаемая обеспеченность водой, высокий угол уклона реки. Но энергия не является постоянной, так как в засуху объём воды уменьшается, а зимой реки замерзают. Мощность вырабатываемой электроэнергии зависит от напора и количества воды, падающей на лопасти турбины.
Биотопливо – это топливо растительного или животного происхождения. Это дрова, точнее, пеллеты, получаемые из древесных опилок, рапсовое масло. Биоэтанол – жидкое биотопливо, получают путем ферментации крахмала или сахара кукурузы, сахарного тростника, сахарной свеклы. Биодизель – тоже жидкое биотопливо, но производят его из масленичной пальмы, сои. Биогаз – газообразное биотопливо, получаемое путём анаэробного сбраживания. Эти виды топлива возобновляемы, снижает негативные влияния на окружающую среду, но для их создания нужно вырубать леса для посадки растений, деградация почвы
Возникает потребность получения дешевой энергии, источники которой не имеют вышеперечисленных недостатков.
Цель работы: провести исследование возможности извлечения энергии электромагнитных полей естественных и искусственных источников, как альтернативного источника энергии.
К естественным источникам электромагнитных полей можно отнести:
Молнии. По статистическим исследованиям ежесекундно на планете Земля «ударяет» 8 молний. Вспышка света и гром составляют примерно 5% энергии молнии. Примерно 95% процентов энергии молнии расходуется на электромагнитное излучение во всем диапазоне электромагнитных волн [1].
Метеориты. По статистике на Землю в сутки достигает поверхности Земли 5-6 тонн метеоритов [1]. При сгорании метеорита в верхних слоях атмосферы излучаются электромагнитные волны во всем частотном спектре.
Излучение Солнца – это помимо заряженных частиц (солнечный ветер), Земля получает Солнечную энергию в виде электромагнитных волн.
Пьезоэффект горообразования – процесс формирования гор под влиянием интенсивных восходящих тектонических движений, скорость которых превышает скорость денудации. Горообразование связано с тектоникой литосферных плит — складкообразованием. Это порождает электромагнитные волны [1].
Примерами искусственных источников электромагнитных полей могут быть: электродвигатели, электросварка, антенны сотовой связи, радиосвязи и т.д.
Искусственные источники используются, как составляющие бытовых условий человека и как техническое обеспечение промышленных предприятий. В быту используют телевизор, холодильник, микроволновую печь, телефон, персональный компьютер – а это всё источники электромагнитного излучения.
Совокупной энергии электромагнитных полей достаточно, чтобы ей замещать потребляемую энергию, получаемую из углеводородного сырья. Но, проблема возникает в том, что эта энергия рассредоточена по всему частотному спектру радиодиапазона. Спектр это функциональная зависимость энергии от частоты, физическое понятие которого представлено на рисунке 1.
Рисунок 1 – Физическое представление спектра
Среди всего спектра частот можно выявить частоты, обладающие наиболее высокой напряженностью электромагнитного поля, такие как частоты крупных радиовещательных и телевизионных передающих станций, антенн сотовой связи. Выясняется, что источники электромагнитного излучения гораздо мощнее естественных в сотни раз, особенно в промышленных городах, они работают постоянно, излучая электромагнитные волны.
Они, в свою очередь, делятся на миллиметровые, сантиметровые, дециметровые, метровые, СВЧ. Антенны радиопередающих устройств излучают радиоволны определенной частоты для обеспечения информационного обмена, но подавляющее количество источников (бытовые приборы, промышленные установки) излучают волны всего частотного спектра. Поэтому для извлечения электроэнергии из окружающего пространства нужно искать те участки спектра, где наибольшая напряженность электромагнитного поля.
Для характеристики величины электрического поля используют напряжённость, обозначенную Е [В/м]. Для измерения низких частот используют понятие магнитная индукция [Тл] [4]. Электрическое поле – это особая форма материи, осуществляющее взаимодействие между заряженными частицами. Электрические волны характеризуются длинной волны – λ, содержащие электрические колебания, характеризующиеся частотой – f. Частоты подразделяются на [1]: крайненизкие: 3 – 30 Гц; сверхнизкие: 30 – 300 Гц; инфранизкие: 0,3 – 3 кГц; очень низкие: 3 – 30 кГц; низкие: 30 – 300 кГц; средние: 0,3 – 3 МГц; высокие: 3 – 30 МГц; очень высокие: 30 – 300 МГ; ультравысокие: 0,3 – 3 ГГц; сверхвысокие: 3 – 30 ГГц; крайне высокие: 30 – 300 ГГЦ; гипервысокие: 300 – 3000 ГГЦ.
Работающие провода линии электропередач создают электромагнитные поля промышленной частоты, причем расстояние излучения распространяется на десятки метров. Дальность распространения электрического поля зависит от класса напряжения ЛЭП. Чем выше напряжение, тем больше зона повышенного уровня электрического поля.
Уровни индукции магнитного поля бытовых приборов на расстоянии 0,3 метра от бытового прибора составляют: Пылесос: 0,2 –2,2 мТл; Дрель: 2,2 – 5,4 мТл; Утюг: 0 – 0,4 мТл; Миксер: 0,5 – 2,2 мТл; Телевизор: 0 – 2 мТл; Лампа: 0,5 – 2,5 мТл; Кофеварка: 0 – 0,2 мТл; Стиральная машина: 0 – 0,3 мТл; Микроволновая печь: 4 – 12 мТл; Электрическая плита: 0,4 – 4,5 мТл.
Сравнив показатели мощности электромагнитных полей на фиксированную площадь, можно сделать вывод, что напряжённость в городах в десятки раз выше, чем в менее населённых пунктах (сёлах, деревнях), а в промышленных городах, где техника работает почти круглосуточно, в сотни раз. Электромагнитное загрязнение имеет неоднородный характер и зависит от количества источников, и в определённых частях города электромагнитное загрязнение превышает в тысячи раз уровень естественного фона [6].
В общем фоне радиоизлучения мегаполиса – а это одновременная работа мобильных телефонов, теле- и радиостанции, бытовых электрических приборов, СВЧ-печей, Wi-Fi-роутеров и высоковольтных линий – доля излучения от базовых станций сотовой связи составляет менее одного процента.
В Российской Федерации предельно допустимый уровень электромагнитного поля составляет 10 микроватт на квадратный сантиметр. Этот показатель значительно ниже норм разрешенных, например, в скандинавских странах или США. Там можно применять до 100 микроватт на квадратный сантиметр.
Предлагается использовать блок колебательных контуров, настроенных на частоты, обладающие наибольшим значением напряженности электромагнитного поля.
Каждый колебательный контур, настроенный на частоту спектра, имеющую наибольшую величину напряженности электромагнитного поля должен быть подключен к антенне.
Многодиапазонные вертикальные КВ антенны получили большое распространение у радиолюбителей. Об их популярности во всём мире говорит тот факт, что ведущие фирмы-производители имеют в своей номенклатуре по несколько типов таких антенн: CUSHCRAFT R7000 и AP8, HY GAIN DX-77 (88) и AV-620(640), MFJ-1796(1798), GAP TITAN и др., BUTTERNUT HF6VX(9VX), HUSTLER 6BTV и др., FRITZEL GPA404 и др., SOMMERANTENNAS T25(T50), MOSLEY RV-6(8).
Наиболее распространенные в промышленности и быту антенны обладают следующими характеристиками: на частоте 28 МГц XL = ω L = 2280 Ом, сопротивление потерь R = XL/Q = 9,1 Ом. Эквивалентный потенциал верхнего конца контакта в точке соединения с колебательным контуром при подводимой к антенне мощности 1000 Вт составит ориентировочно 1000 В. Так как потенциал верхнего конца антенны близок к нулю, приложенное к катушке напряжение составит UL » 1000 В, ток через катушку I » IL / XL = 0,44 А и тепловые потери P = I2R = 1,77 Вт [7].
Колебательный контур – электрическая цепь, состоящая из конденсатора, катушки индуктивности, подключенных последовательно или параллельно. Резонансная частота определяется формулой Томсона:
(1)
L - индуктивность катушки колебательного контура;
С – емкость конденсатора.
На выходе колебательного контура настроенного на частоту необходимо установить двухполупериодную схему выпрямления, к выходу которой нужно подключить аккумуляторную батарею.
В качестве таких схем можно использовать диодные мосты. Выпрямление с помощью диодного моста называется двухполупериодным представлено на рисунке 1 [2].
.
Рисунок 1 – Двухполупериодная схема выпрямления
Известно, что ЭДС (электродвижущая сила), наводимая полем передающей радиостанции в антенне приемника, может быть определена по формуле ε = Е • hд, где Е - напряженность электрического поля радиостанции в точке приема, hд - действующая или эффективная высота антенны [3]. Для достижения поставленной в работе цели нельзя разделять антенну и колебательный контур, и следует максимизировать мощность, подводимую от антенны сквозь контур к диодному мосту, выполненному по двухполупериодной схеме выпрямления.
К выходам диодных мостов, подключенных к колебательным контурам, подключаются аккумуляторные батареи.
Входное сопротивление диодного моста зависит от элементной базы, внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи, а в некоторой степени и от подводимого радиочастотного напряжения и может составлять от единиц до десятков килом [2].
Поскольку мощность поступающего на диодный мост высокочастотного сигнала Р = UI, где U - подводимое к диодному мосту напряжение, I - протекающий через диодный мост радиочастотный ток, а входное сопротивление Rвx = U/I, то максимизировать мощность можно, изменяя входное сопротивление диодного моста выбором различных схем его согласования. Подключая диодный мост через высокочастотный трансформатор, можно, например, увеличивать напряжение, уменьшая ток, или наоборот. Входное сопротивление диодного моста, пренебрегая небольшой емкостью диодов, будем считать активным, то есть поглощающим поступающую на диодный мост мощность.
Таким образом, можно синтезировать один блок для получения энергии электромагнитного поля, представленной на рисунке 2.
Рисунок 2 – схема блока извлечения энергии электромагнитного поля
С другой стороны, известно, что источник (антенная цепь) отдает в нагрузку диодного моста максимальную мощность в том случае, когда активное сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки, а реактивное сопротивление источника скомпенсировано включением реактивного сопротивления другого знака. Это условия согласования источника с нагрузкой
Наиболее мощные радиостанции работают в диапазонах длинных и средних волн. Влажная почва, пресная вода, а тем более морская, обладают на этих частотах свойствами проводника, в котором токи проводимости намного больше токов смещения. В результате волны с горизонтальной поляризацией оказываются у поверхности Земли значительно ослабленными. По этой причине для радиовещания используют волны с вертикальной поляризацией, излучаемые вертикальными антеннами-мачтами, часто с развитой горизонтальной частью (емкостной нагрузкой) и хорошим заземлением.
Используя статистические данные, можно провести расчет величины мощности, передаваемой антенной в нагрузку rд (аккумуляторную батарею), причем потери в антенной цепи учитываться не будут. При равенстве входного сопротивления диодного моста и активной составляющей сопротивления антенны (сопротивления излучения) RΣ = rд, мощность в нагрузке максимальна и равна: Р0 = (ε / 2)2 / RΣ. Причем, от размеров и конструкции антенны эта мощность не зависит при одном лишь условии, что они малы по сравнению с длиной волны (для больших антенн, в частности направленных, могут быть получены и большие мощности).
Из сказанного можно сделать следующие выводы:
- верхний теоретический предел снимаемой с антенны мощности зависит только от напряженности поля радиостанции в месте приема и длины волны;
- прием лучше вести на длинных и сверхдлинных волнах;
- антенну нужно согласовывать по активным сопротивлениям диодного моста и антенны, а также компенсировать ее реактивное сопротивление. Фактически это означает, что надо настраивать антенную цепь в резонанс, используя ее как контур, и регулировать связь с нагрузкой (диодным мостом).
Для примера, максимальную мощность, которую можно получить из поля ДВ радиостанции мощностью 500кВт на частоте 171 кГц (λ = 1753м) на расстоянии 300 км, где напряженность поля составляет 20 мВ/м: Р0 = 0,022 • 17532 / 6400=0,19Вт. Такую мощность отдает, например, батарея с напряжением 9В при токе 20мА. Ее хватило бы не только для громкой работы транзисторного приемника, но даже для зажигания небольшой лампочки накаливания.
Если в блоке колебательных контуров и антенн (рисунок 3) использовать n количество контуров, то соответственно в такое количество раз увеличивается накопленная или используемая энергия в быту.
Рисунок 3 – Схема системы извлечения энергии электромагнитного поля из пространства
Вывод:
Эффективность по сравнению с традиционными источниками энергии очевидна, так как работает всегда независимо, от ветра и света; неисчерпаемость; доступность в любом месте.
Недостатки: трудность реализации (много контуров, диодов); затруднения в мобильности.
Перспективы: создать автоматическую систему поиска и перестройки блока колебательных контуров на частоты, имеющие максимальную энергию электромагнитных полей.
Из-за истощения углеводородных ресурсов нужно искать новые постоянные источники электроэнергии, которые, в свою очередь, не будут загрязнять окружающую среду и позволят экономно расходовать энергетические ресурсы.
Список литературы:
Дронов В.П, Савельева Л.Е. География землевладение. – 7-е изд. перераб. – М: Дрофа, 2018. – 281 с ил.
Борисов В.Г. Юный радиолюбитель. – 6-е изд. перераб. и доп. – М.: Энергия, 1979. – 480 с.,ил.
Савельев И.В. Курс общей физики М.: изд-во Наука 1970, - 517 с ил.
Яворский Б.И., Детлаф А.А. Справочник по физике. Изд. четвертое переработанное. М.: изд-во Наука 1968, - 939 с.
https://www.piter220.ru/651-emp.html
https://cyberleninka.ru/article/n/elektromagnitnyy-fon-gorodskih-territoriy-diapazona-promyshlennyh-chastot
http://amfan.ru/moshhnost-otdavaemaya-priemnoj-antennoj/elementarnaya-teoriya-priemnoj-antenny//