XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Ударный преобразователь энергии морских волн в электричество
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Для оценки практического применения волновых генераторов электрической энергии надо знать надо знать величину первичной энергии волн. По закону сохранения энергии только часть первичной волновой энергии может быть преобразована в электричество. Эта часть соответствует коэффициенту полезного действия (к.п.д.) волнового генератора.
Первичная энергия волн зависит от высоты и частоты волнения водной поверхности. При штилевом волнении моря с высотой волн до 0,5 метра энергия волнения оценивается удельной величиной мощности до 15 кВт/м. Это означает, что при к.п.д. 10%, как, например, у солнечной батареи, с одного погонного метра прибрежной зоны можно получить электрическую мощность 1,5 кВт, достаточную для нужд жителей маленького домика. Даже если к.п.д. преобразователя будет всего лишь 1%, то с одного погонного мера волновой поверхности можно получить электрическую мощность 150 Вт. При этом надо учитывать, что длина береговой линии очень большая. Не составит труда разместить вдоль берега моря, например, 10 волновых преобразователей, чтобы получить те же самые 1,5 кВт электрической энергии. Следовательно, небольшой к.п.д. преобразователя может быть компенсирован большой протяжённостью батареи таких генераторов электрической энергии.
Указанная оценка энергии морских волн справедлива для штилевого волнения, когда высота волн приблизительно равна 0,5 м. Даже в безветренную погоду, то есть при полном штиле, волны на море обязательно образуются из-за частичного упорядочения движения молекул воды [1]. В этой работе природа образования морских волн не изучается. В качестве исходных данных берутся числовые величины, полученные в других работах. Например, при высоте волн 3-4 м первичная мощность волнения возрастает до 80 кВт/м, то есть более чем в пять раз по сравнению со штилем. Однако штормы нельзя рассматривать как постоянное природное явление, расчёты надо проводить в предположении самого слабого волнения моря и соответствующей ему энергии волн.
Для России использование энергии морских волн очень привлекательно из-за большой длины береговой линии – более 40000 км. Выполняем расчёт штилевой энергии морских волн: 40000км*1000*15000Вт=600ГВт. Для дальнейшего уточнения надо учесть, что часть береговой линии часто покрыта льдами, в частности, вдоль Северного морского пути. Эту часть береговой линии надо исключить из рассмотрения и учёта волновой энергии. Предположим, что только сотая часть береговой линии может быть использована для размещения вдоль неё волновых генераторов электрической энергии. Тогда мощность штилевых волн составит 6ГВт. Для справки, мощность всех тепловых электростанций в России приблизительно равна 160ГВт. Это означает, что 3-4% этой мощности можно получить из энергии морских волн. Это существенно для начала внедрения в практику нового альтернативного источника энергии. Для сравнения можно отметить факт, что доля атомных электростанций в Европейской части России составляет около 25%, и увеличивалась постепенно. Точно также доля волновых преобразователей энергии может увеличиваться только постепенно после отработки устройств и способов, единого мнения по которым в настоящее время не выработано. Даже если будет создан, испытан, а ещё лучше, внедрён в практику единичный волновой генератор электрической энергии, то это станет научно-техническим достижением. Сразу же будет определён путь дальнейшего совершенствования.
Идея предлагаемой работы очень привлекательна ввиду неприхотливости нового устройства. Если в известных проектах нужно точно соблюдать размеры деталей, то в ударном генераторе требование только одно – магнит должен прилипнуть к сердечнику катушки, а потом отойти от него. Это можно сделать, например, с помощью тяжёлого поплавка.
Измерение электрического сопротивления катушки
Для первого опыта с ударным генератором была выбрана катушка индуктивности от электромагнитного реле. Блок контактов реле был отсоединён от катушки. На рис.1 показана фотография применённой детали.
Рис.1. Катушка индуктивности для первого опыта
Исследование катушки индуктивности началось с измерения её электрического сопротивления. Для этого был применён мультиметр MASTECH MAS838, включённый в режим омметра. Потребовалось поставить переключатель на диапазон измерений 2К, то есть на предел измерений 2кОм. Прибор точный, в соответствии с паспортом разрешение дисплея в этом диапазоне составляет 1Ом, а ошибка измерения не превышает 0,8% от предела, то есть 2кОм, то есть равна 16Ом. Измерение электрического сопротивления необходимо для дальнейших расчётов мощности электрического тока при ударном подсоединении магнита к сердечнику катушки индуктивности. Зная величину электрического сопротивления, а потом измерив напряжение на катушке в момент удара о неё магнита, можно вычислить мощность электрического тока. На рис.2 показан процесс измерения электрического сопротивления катушки индуктивности, омметр показывает 729 Ом.
Рис.2. Процесс измерения электрического сопротивления катушки
Измерение электрического напряжения при ударе магнита
Измерить электрическое напряжение на катушке индуктивности во время удара о неё магнита оказалось намного сложнее, по сравнению с измерением электрического сопротивления. В школьном курсе физики обычно решают задачи с электрическими цепями, в которых напряжение постоянно. В ударном генераторе напряжение не постоянно, оно сначала увеличивается от нуля до некоторой максимальной величины, а потом уменьшается снова до нуля. Важно знать, по какому закону происходит увеличение и уменьшение напряжения. Обычным вольтметром такой процесс не измерить. Для этого нужен электронный осциллограф. В школьном кружке есть электронный запоминающий осциллограф АКИП-4115/1А. Этот прибор позволяет не только видеть сигнал, то есть напряжение на катушке, на экране, но ещё запоминать картинку, а также записывать данные в виде числового массива. Числовой массив нужен для дальнейшей обработки результатов измерений. На рис.3 показана фотография электронного запоминающего осциллографа в процессе проведения опыта. Прибор был настроен на единичное измерение сигнала, поэтому график зависимости напряжения от времени сохранился на картинке. Этот график доступен для анализа после опыта, как и сохранённый числовой массив экспериментальных данных. На этом же рисунке видно, как подсоединена катушка индуктивности к измерительным проводам осциллографа. Рядом с катушкой на столе лежит сильный неодимовый магнит. Такой магнит обладает сильным магнитным полем. Теоретически магнитное поле может достигать величины 2Тл, но на практике обычно в два раза меньше, то есть около 1Тл.
Рис.3. Применение электронного осциллографа для измерения
Первый опыт подтвердил предположение о нарастании напряжения, но одновременно позволил определить максимальную величину сигнала на осциллографе, равную 18В. Такое больше напряжение получилось из-за большого количества витков в катушке. Сопротивление катушки большое. Вполне возможно, что в будущем придётся уменьшить число витков в катушке, чтобы уменьшить сопротивление, даже при снижении напряжения. При таком изменении сила тока, выдаваемого ударным генератором, может увеличиться. Но в первом опыте преследовалась другая цель – оценить электрическую энергию от одного удара, имитирующего, например, действие тяжёлого поплавка с магнитом, расположенного на волновой поверхности моря.
Формирование числового массива экспериментальных данных
Особенностью электронного осциллографа АКИП-4115/1А является возможность записи и сохранения результатов измерений в виде числового массива данных. Для примера, на рис.4 показана часть полученного массива.
Рис.4. Числовой массив экспериментальных данных
Числовой массив обрабатывается в программе EXCEL. Первый столбик массива формируется программой – это порядковый номер строки. В массиве 16386 строк. Ясно, что вручную такой массив данных обработать невозможно. Второй столбик содержит значение текущего времени измерения в секундах. В третьем столбике записано значение напряжения на катушке индуктивности в текущий момент времени. В нижних строчках массива – это 0,8В, то есть практически нулевое значение. Следующие столбики – это результаты обработки экспериментальных данных в программе EXCEL. Для преобразования первичного массива данных в удобную форму пришлось выполнить два действия. Во-первых, запоминающий электронный осциллограф АКИП-4115/1А записывает текущее время и текущее напряжение в одну клетку таблицы EXCEL, поэтому потребовалось разделить один столбик на два столбика. Во-вторых, в массиве данных осциллографа применена десятичная точка, а на компьютере требуется десятичная запятая, поэтому потребовалось выполнить глобальную замену точки на запятую во всех строках массива.
Так как числовой массив зависимости напряжения от времени удара был получен и преобразован для работы в программе EXCEL, то в этом же редакторе был построен график процесса. По сути – это проверка правильности обработки числового массива. График программы EXCEL должен был совпасть с графиком на экране осциллографа АКИП-4115/1А. так и получилось. На рис.5 показан график программы EXCEL.
Рис.5. График программы EXCEL
Так как график программы EXCEL в точности повторил график осциллографа, сформированный массив данных правильный.
Определение энергии и мощности единичного удара
Мощность электрического тока определяется по закону Джоуля-Ленца, то есть по формуле N=U*U/R. Напряжение на катушке определено с помощью электронного осциллографа. Сопротивление катушки измерено омметром. В редакторе EXCEL выполнены вычисления с ячейками в строчках таблицы измерений. На рис.6 показан график изменения электрической мощности при одном отрыве магнита от сердечника катушки индуктивности. При ударе о сердечник график почти такой же.
Рис.6. Изменение электрической мощности при отрыве магнита
Мощность при ударе, а потом при отрыве магнита от сердечника катушки достигает максимального значения 1,5Вт. Если осреднить, то можно оценить среднее значение 0,7Вт, как среднюю линию треугольника. Но важно знать не только среднюю электрическую мощность, но и продолжительность. По осциллограмме и числовому массиву опытных данных продолжительность удара приблизительно равна 10 мс. Такая же продолжительность отрыва. При одном цикле «удар-отрыв» магнита мощность равна 0,7Вт в течение 20 мс. Это эквивалентно мощности 1,5Вт в течение 10мс. Энергия в одном цикле «удар-отрыв» вычисляется по формуле Q=N*t=1,5Вт*0,01с=0,015Дж. Но это верно только для испытанных деталей. В реальных установках, конечно, энергетические показатели будут намного больше. Целью первой лабораторной установки является обоснование положительного эффекта преобразования энергии волн в электричество. Эта цель достигнута [2].
Тяжёлый поплавок для ударного генератора
Следующий этап работы заключался в доказательстве работоспособности тяжёлого поплавка. В таком поплавке работу совершает сила тяжести, когда к генератору подходит спад волны. Но когда к генератору подходит гребень волны, работу совершает сила Архимеда. На рис.7 показана установка с тяжёлым поплавком.
Рис.7. Установка с тяжёлым поплавком
Установка состоит из кольцевого электромагнита, подвешенного на штанге. В отверстие магнита входит труба, в которой закреплена уже испытанная катушка индуктивности. В трубу помещены свинцовые грузы. На нижнюю часть трубы надет пенопластовый поплавок. В верхней части трубы закреплены два светодиода, подключенные параллельно и встречно в катушке индуктивности. При входе катушки в магнит загорается синий светодиод, при выходе – белый. Установка испытана, работает [3].
Характеристики прибрежных морских волн
Следующий этап – расчёт характеристик генератора в реальной волновой обстановке [1].
При наибольшей принятой скорости волны 10 м/с за время удара магнита 10 мс, то есть 0,01 с, гребень волны переместится на расстояние 10м*0,01с=0,1, то есть на 10 см. При наименьшей принятой скорости волны 1 м/с перемещение гребня равно 1 см, то есть реальному размеру неодимового магнита, который применялся в первых опытах.
Период прибрежных волн обычно составляет 6-10 с [1]. При наибольшей величине периода 10 с для непрерывного электрического тока нужно установить в направлении движения волны 10с/0,01с=1000 катушек индуктивности с неодимовыми магнитами. Тогда заполнение сигнала генератора будет равна 1, полная заполняемость сигнала.
Характерная мощность такой сборки из 1000 генераторов равна 1 Вт.
Характерная длина сборки а направлении движения волн 1000 см=10м.
При ширине сборки 10 м получится мощность 10000Вт=10кВт.
Это означает, что 100 квадратных метров площади волновой поверхности могут выдать мощность 10 кВт, а 1 га прибрежной зоны даст электрическую энергию 10кВт*100=1МВт.
Реальная сборка генераторов предполагает, что катушки и магниты расположены не вплотную друг к другу. Пусть расстояние между соседними катушками индуктивности будет в 5 раз больше их диаметра. Линейные размеры сборки увеличиваются в 5 раз, а площадь возрастает в 25 раз. При этом удельная поверхностная мощность уменьшится в 25 раз и составит 40 кВт/га.
Выводы
1. Предложена новая схема ударного преобразователя энергии морских волн в электричество.
2. Выполнено обоснование и приведены численные оценки работоспособности предложенного устройства.
3. Начато исследование тяжёлого поплавка как исполнительного элемента в ударном генераторе.
Список использованных источников
1. Алексеевский Н.И. Высота волн. Электронный ресурс: http://www.geogr.msu.ru/cafedra/gydro/uchd/lekcii/gidro1k/OCEAN2.pdf
2. Гавричкова Мария. Идея волнового генератора. 27 января 2022 г. Электронный ресурс (видеоролик 3:44): https://youtu.be/FU-rR_oPAs0
3. Гавричкова Мария. Тяжёлый поплавок для волновой энергетики. 12 февраля 2022 г. Электронный ресурс (видеоролик 3:28): https://youtu.be/YLIxxH0dxLA
Приложение.
Проверка в системе «Антиплагиат» с показателем оригинальности более 96%