III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ИЗ КАПЕЛЬ ВОДЫ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Применение нетрадиционных форм энергии на улицах города и в общественных местах. В труднодоступных и суровых регионах земного шара давно будоражит воображение изобретателей. И, хотя подобные опыты такого рода заканчиваются скромно, проекты то и дело возникают в крупнейших лабораториях по всему миру. Ученые французской компании CEA-Leti и национального политехнического института в Гренобле работают над проектом получения тока из дождевых капель. Исследователи из Массачусетского технологического института (МТИ) в прошлом году открыли, что при спонтанном выпрыгивании капель воды из супергидрофобной (водоотталкивающей) поверхности путем конденсации, капли в этом процессе могут приобретать электрический заряд. Южнокорейские исследователи из физического факультета Пусанского национального университета разработали новую технологию, с помощью которой можно получить энергию, взятую от одной капли воды.
Эти открытия могут способствовать созданию более эффективных электростанций и получению энергии из атмосферы новым способом.
Цель:
Исследовать баллоэлектрический эффект для генерации энергии.
Задачи:
-
Создать опытную установку для генерирования электрической энергии;
-
Разработать проект электростанции будущего, в котором заложены принципы баллоэлектрического эффекта и МГД генерации;
-
Доказать энергетическую и экологическую эффективность такого типа электростанций;
Актуальность:
Южнокорейские исследователи из физического факультета Пусанского национального университета разработали новую технологию, с помощью которой можно зажечь шесть светодиодных ламп энергией, взятой от одной капли воды. Полученного света вполне хватит для освещения городской квартиры или небольшого дома. Руководил группой разработчиков профессор Пак Хек Кю. Согласно новой технологии, каплю воды помещают между двумя электропроводящими металлическими пластинами. Это формирует водяной мост. Изменяющаяся толщина этого моста заряжает и разряжает специальные двухслойные электрические конденсаторы, создаётся электрический ток, достаточный для обеспечения работы нескольких светодиодных лампочек. Перспективы данной технологии довольно большие. В дальнейшем можно продолжать работу в направлении трансформации энергии движения воды в промышленных масштабах.В данное время кинетическая энергия, заключённая в движении воды и горячих источниках, почти не используется. Но, по мнению южнокорейских учёных, в скором времени человечество научиться собирать такую энергию с максимальной для себя пользой. Кинетическая энергия воды способно освещать не только отдельные дома, но и целые улицы и города.
Гипотеза:
Используя баллоэлектрический эффект, можно создать устройство
для генерирования электрической энергии.
Объект исследования:
Глава 1.
1.1. Баллоэлектрический эффект
Эффект электризации жидкости при дроблении на маленькие капли впервые был установлен в 1786 году у водопадов в Швейцарии в последствии получил название баллоэлектрического эффекта. Небольшой объемный электрический заряд воздуху у водопадов сообщают капельки воды и молекулярные комплексы, которые при дроблении отрываются от водной поверхности и переходят в окружающий воздух.
Балоэлектрический эффект – это электризация водяных каплей, которая возникает при разрушении воды на отдельные мелкодисперсные капли.
Самый сильный баллоэлектрический эффект наблюдается у самых больших водопадов – у водопада Игуасу на границе Бразилии и Аргентины (высота 190 м, ширина 1 500 м) и у водопада Виктория в Африке (высота 133 м, ширина 1 600 м). У водопада Виктория самая сильная электризация возникает у водосброса, а c удалением эффект уменьшается и на расстоянии около 1,6 км сходит к нулю.
У морских и океанских побережий тоже наблюдается баллоэлектрический эффект. На поверхности морей и океанов образование брызг начинается при скорости ветра более 10 м/с, когда появляются гребешки пены. У берега свой вклад в образование капелек воды вносит сильный прибой.
При образовании микрокапель воздуху сообщается электрический заряд как результат образования положительно и отрицательно заряженных частиц (иногда их называют аэроионами). В зависимости от условий (прежде всего, чистоты воды) соотношение положительно и отрицательно заряженных частиц может отличаться, но их суммарное количество всегда значительно превышает содержание в обычном воздухе.
Сила электризации различна при разбрызгивании капель разной величины и, как правило, увеличивается по мере уменьшения капель. Для капли диаметром 4,4 мм высвобождается заряд 0,89*10-12 Кулон/см3, в то время как для капли диаметром 0,4 мм отдача заряда составляет 1*10-12 Кулон/см3. Наибольший достижимый эффект при дроблении воды составляет примерно 10-10 Кулон на каплю.
Баллоэлектрический эффект возможен только для дипольных жидкостей, к которым относится и вода. Причиной эффекта является наличие на поверхности воды слоя ориентированных дипольных молекул, которые создают двойной электрический слой. Электрическое поле диполей простирается на некоторую глубину внутрь воды и собирает вблизи ее границы свободные заряды. При разбрызгивании капель чистой воды крупные фрагменты имеют положительный заряд, а легкие ионы, находящиеся в воздухе,— преимущественно отрицательный.То есть мелкодисперсные капли заряжаются отрицательно, а более крупные положительно при разделении их магнитным полем. Так и возникает электрический ток: заряженные капли оседают на металлических пластинах (медных), создавая его.
1.2. Генерация электричества из капель воды.
Исследователи из Массачусетского технологического института (МТИ) в прошлом году открыли, что при спонтанном выпрыгивании капель воды из супергидрофобной (водоотталкивающей) поверхности путем конденсации, капли в этом процессе могут приобретать электрический заряд. Теперь та же команда исследователей продемонстрировала, что этот процесс может генерировать малое количество электричества, которое может привести к разработке устройств, позволяющих заряжать мобильные телефоны и другую электронику используя просто влажность в воздухе. В дополнение, такая система может также производить чистую воду.
Данное устройство может быть простым, состоящим из серии чередующихся металлических пластин. В его экспериментальном образце использовались медные пластины, но может подойти любой проводящий металл, включая более дешевый алюминий.
Принцип работы
Эта система основана на найденном в 2013 г. Miljkovic совместно с профессором машиностроения Evelyn Wang эффекте перевода поверхностной энергии капель на супергидрофобной поверхности в кинетическую энергию по мере их слияния и образования более крупных капель. При определенных условиях, не просто при скольжении вниз и падении с поверхности под воздействием силы тяжести, капли действительно могут «отпрыгнуть» от нее. Это происходит, когда капельки воды конденсируются на металлической поверхности с определенным видом сверхгидрофобного покрытия, и минимум две капли соединяются в одну. Затем они могут внезапно «отпрыгнуть» в результате выпуска избыточной энергии. Чтобы понять причину этого отталкивания капель друг от друга в процессе полета, исследователи провели серию экспериментов с использованием заряженного электрода. Конечно же, когда электрод имел положительный заряд, капельки отталкивались от него и друг от друга. Когда у него был отрицательный заряд, капли к нему притягивались. Так было установлено, что капли обладают положительным электрическим зарядом, что и заставляет их отталкиваться от поверхности.
Электрический заряд возникает потому, что капельки, формируясь на поверхности, совершенно естественно образуют двойной электрический слой (положительный и отрицательный). Когда сливаются находящиеся рядом капли, это приводит к тому, что они отскакивают от поверхности, и как следствие, по словам Мильковича, этот процесс происходит «так быстро, что заряд разделяется: некоторое количество остается на каплях, некоторое на поверхности».
Данный механизм иногда является причиной того, что капли спонтанно выпрыгивают, повышая теплопередачу на 30 % относительно других техник. Позже было обнаружено, что в этом процессе, прыгающие капли приобретают небольшой электрический заряд – имеется в виду, что прыжки, и соответственно перенос тепла, могут бить усилены за счет расположения рядом металлических пластин, противоположный заряд которых является притягивающим для капель.
Теперь исследователи показывают, что подобный процесс может быть использован для генерации энергии, просто включение второй пластины с гидрофильной (притягивающей воду) поверхностью. Когда капли покидают поверхность, они переносят заряд от одной пластины к другой; если две пластины соединены во внешней цепи, разность зарядов может приводить к образованию энергии.
В практических устройствах, два ряда металлических пластин, подобно ребрам радиатора, будут чередоваться, и располагаться близко, не касаясь друг друга.
Устройство размером с походный холодильник может зарядить мобильный телефон за 12 часов.
В тестовом эксперименте, количество вырабатываемой мощности было очень мало – всего лишь 15 пиковатт на квадратный сантиметр металлической пластины. Но, по словам Miljkovic, процесс может быть усовершенствован, чтобы достичь 1 микроватта на квадратный сантиметр.
При этих условиях, по расчетам Miljkovic, при 50 см пластины может быть достаточно для полного заряда мобильного телефона за 12 часов.
В этом устройстве существуют ограничения: процесс требует конденсации, поэтому необходима влажная среда, а также источник температуры ниже окружающего воздуха, такие как пещера или река.
Для питания удаленных, автоматизированных датчиков окружающей среды, даже малого количества энергии может хватить; в любом месте, где образуется роса может вырабатываться энергия в течение нескольких утренних часов.
Это открытие способствовало созданию механизма, который повысил эффективность теплообмена в этих конденсаторах, и, следовательно, общую производительность электростанций. Новое открытие сделает электростанции еще более эффективными. Но, это еще не все. Можно разместить параллельно две металлические пластины, при этом от одной из них капли будут отталкиваться, к другой же притягиваться. В результате можно генерировать какое-то количество энергии прямо из воздуха. Все, что потребуется от вас, это охладить поверхность до температуры воды в озере или реке. «Необходимо обеспечить, чтобы поверхность была холодной и влажной, - говорит Милькович. – Мы работаем над демонстрацией этой концепции».
Глава 2.
2.1. МагнитоГидроДинамическая электростанция.
Баллоэлектрический генератор - это установка, в которой происходит взаимодействие капель воды с магнитным полем, превращая механическую энергию (от скорости подачи воды увеличивается или уменьшается электрический ток) в электрическую.
В магнитогидродинамических электростанциях используется принцип образования тока при прохождении движущегося проводника через магнитное поле. В качестве рабочего тела используется низкотемпературная плазма (около 2700 градусов Цельсия), образующаяся при сгорании органического топлива и подаче в камеру сгорания специальных ионизирующих присадок. Рабочее тело, проходящее через сверхпроводящую магнитную систему, создает постоянный ток, который с помощью инверторных преобразователей превращается в переменный. Рабочее тело после прохождения через магнитную систему поступает в паротурбинную часть электростанции, состоящую из парогенератора и обычной конденсационной паровой турбины. Теплота реакции ионизации, выраженная в электрон-вольтах, называется потенциалом ионизации.
В МГД-установках открытого цикла рабочим телом является плазма продуктов сгорания органических топлив. Теоретическая температура горения большинства органических топлив в атмосферном воздухе не превышает 2300К, что явно недостаточно для термической ионизации. Поднять температуру горения позволяет предварительный подогрев воздуха и обогащения воздуха кислородом. Для того чтобы получить плазму с электрической проводимостью не ниже 10 См/м, в продукты сгорания вводят вещества с возможно более низким потенциалом ионизации, так называемую ионизирующую присадку. Наименьший потенциал ионизации имеет цезий.Присадка должна быть по возможности дешевой, ибо несмотря на то, что в схемах МГД-установок открытого цикла ее извлекают из продуктов сгорания, регенерируют и вновь пускают в дело, некоторое количество ее неминуемо теряется. То количество присадки, которое все же выбрасывается с дымовым газом, не должно оказывать вредного воздействия на окружающую среду. Присадка не должна воздействовать на элементы конструкции МГД-установки, она должна быть технологичной - ввод и вывод ее - достаточно простыми. Исходя из приведенных причин, для МГД-установок открытого цикла чаще всего в качестве присадки применяются соединения калия; КгСОз, КОН. Электрическая проводимость плазмы определяется концентрацией электронов и их рассеянием на частицах, составляющих плазму. МГД-генератор в установке открытого цикла может работать эффективно лишь при достаточно высокой электрической проводимости. В частности, температура на выходе из МГД-генератора не должна быть ниже 2300К. Газы с такой температурой представляют еще большую энергетическую ценность и должны быть использованы.В МГД-установках замкнутого цикла рабочим телом может служить либо плазма инертных газов (аргон или гелий), либо жидкие металлы.В случае плазменных МГД-установок замкнутого цикла с ядерными реакторами начальный нагрев газа не может быть особенно высоким. Температура газов не будет превосходить 1500 К или в лучшем случае 1700-1900К. Такие температуры недостаточно высоки, чтобы обеспечить термическую ионизацию даже ионизирующейся присадки. Однако в плазме инертных газов можно обеспечить неравновесную ионизацию, при которой основной газ, состоящий из ионов и нейтральных атомов, имеет сравнительно низкую температуру, а электроны - более высокую, Эта более высокая температура электронов поддерживается за счет их разгона в электрическом поле.
Наиболее экономичным и эффективным методом повышения электронной температуры и получения неравновесной ионизации является нагрев электронного газа за счет использования индуцированного электрического поля. При протекании тока через плазму вначале электроны разгоняются и приобретают более высокую температуру, а затем отдают свою энергию в виде джоулевой теплоты при столкновениях с молекулами. Из-за большого различия в массе при каждом упругом столкновении с атомом или молекулой электрон теряет лишь небольшую часть энергии. Главное достоинство МГД-генераторов состоит в том, что они, повышая на 10-20% коэффициент полезного действия по сравнению с тепловыми электростанциями, могут в настоящее время вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах. В МГД-генераторе, как описано выше, электрический ток производится потоком ионизованного газа (плазмы), направленным поперек магнитного поля. Отрицательные и положительные заряды в магнитном поле отклоняются в разные стороны и направляются каждый на свой электрод. Между электродами образуется разность потенциалов, и при замыкании внешней цепи возникает электрический ток. Для получения ионов топливо сжигается при ЗОООК в специальной камере, в которой для облегчения возникновения ионов к нему добавляются соли калия или цезия. Так как большая доля энергии превращается при этом все же в тепло, то в случае МГД-генератора не вполне можно говорить о непосредственном превращении химической энергии в электрическую. Температура газа, отработанного в МГД-генераторе, составляет 2000К. Используя его по обычной схеме, турбина вырабатывает еще примерно столько же электроэнергии, сколько производит МГД-генератор. Выхлоп МГД - канала при температуре около 2000 К направляется в котел и используется по обычной схеме на парообразование с применением энергии пара в паровой турбине ТЭС.
Поэтому сравнительно высокий коэффициент полезного действия всей установки (50-60%) достигается с помощью двухступенчатого процесса.В настоящее время на Рязанской ГРЭС сооружен головной МГД-энергоблок 500 МВт, включающий МГД-генератор мощностью около 300 МВт и паротурбинную часть мощностью 315 МВт с турбиной К-300-240. При установленной мощности свыше 610 МВт выдача мощности МГД-энергоблока в систему составляет 500 МВт за счет значительного расхода энергии на собственные нужды в МГД-части. Коэффициент полезного действия МГД-500 превышает 45 %, удельный расход условного топлива составит примерно 270 г/(кВт-ч). Головной МГД-энергоблок запроектирован на использование природного газа, в дальнейшем предполагается переход на твердое топливо.
Преимущества МГД-генераторов:
-
Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку.
-
В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение.
-
Рассматриваемые генераторы являются объемными машинами – в них протекают объемные процессы. С увеличением объема уменьшается роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема, а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.
-
При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.
-
Большой успех в технической отработке использования МГД – генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД – ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины – 65%.
-
Высокая маневренность
-
Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 – 2000 м/с.
-
Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.
-
Рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов – общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны.
-
Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.
-
При температуре газа ниже 2000° С в нем остается так мало свободных электронов, что для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло, поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а образовавшийся пар подается в паровую турбину.
-
На данный момент наиболее широко изучены и разработаны плазменные МГД-генераторы.
2.2. Исследования баллоэлектрического эффекта.
В качестве источника электроэнергии не так давно стали применятся мини электростанции, работающие на воде. Применение воды в качестве ресурса для получения энергии – решение максимально рациональное, поскольку ресурс этот практически неиссякаем. Использование морской воды не применялось, хотя именно морская вода и является отличным электролитом. В ней заключено огромное количество энергии, которую можно было бы использовать. Видно пока не нашлись те технологии, которые смогли бы эту энергию получить через МГД генератор. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что проблем с устройством и использованием МГД генераторов много. И их придется еще преодолевать. Правда, некоторые позиции умельцам удается обходить, используя всевозможные хитроумные идеи. Но это опять-таки на уровне опытных образцов. Стоит упомянуть и об экономичности таких электростанций. Тут также преимущество на стороне гидроагрегатов.
Наша установка представляет собой емкость, к которой прикреплены 6 медных пластин напротив друг друга. Сами пластины соединены проводами, которые припаяны к пластинам. Концы электропроводов зачищены, и далее, их присоединили к мультиметру. Перпендикулярно прикрепленным пластинам, соблюдая полярность, мы устанавливали магниты. В ходе проведения экспериментов было использовано несколько пар магнитов. Надо отметить, что наиболее лучше всего получились опыты с электромагнитами, результат полученного напряжения был наибольший. Вода в установку подавалась садовым насосом «Жук», с мелкодисперсным распылителем на конце. Опыты с простым распылителем не удались, измеряемое напряжение в цепи было очень мало. В первичном положении, до подачи воды, суммарный объемный заряд в установке равен нулю. После проведения эксперимента, остаточный суммарный заряд на пластинах равен 0,6В.
Технические характеристики нашей установки:
-
Площадь одной пластины – 44 * 10-6 м2
-
Суммарная площадь пластин электродов S=2,62·10-4 м2
-
Индукция магнитного поля постоянных магнитов В ≈0,6Тл
-
Расстояние между пластинами L1= 0,13 м
-
Электродвижущая сила (максимальная) Е ≈ 5 ·10-2 В
-
Ток короткого замыкания Iкз = 1 ·10-3 А
-
Мощность опытной установки Р ≈ 95 ·10-3 мВт
Результаты экспериментов:
-
Если в установке используется одна пара магнитных полюсов, то среднее значение напряжения составляет 1,9 В
-
Если в установке используется три пары магнитных полюсов, то среднее значение напряжения составляет около 5,6 В
-
Если распылять водный раствор хлорида натрия (NaCl), баллоэлектрический эффект происходит в меньшей степени.
2.3. Энергетическая и экологическая
эффективность электростанций.
-
В качестве рабочего тела используются мелкодисперсные капли воды, произведенные специальными центробежными форсунками.
-
Энергетические затраты на производство электроэнергии сведены к минимуму.
-
Чем больше МГД генератор, тем выше коэффициент полезного действия, тем меньше вредных выбросов из установки.
-
Магнитогидродинамические генераторы являются установками передвижными.
-
Не происходит химического и экологического загрязнения окружающей среды.
-
При использовании энергии воды отсутствуют риски, возникающие, например, при использовании угля, сжиженного газа, мазута, когда при их доставке возможно проникновение, закрепление или распространение вредных организмов (в том числе колорадских жуков, саранчи), заболеваний, переносчиков болезней или болезнетворных организмов, а также сорных растений транспортными средствами. Не нужны обязательные и дорогостоящие, при их надлежащем исполнении, ветеринарно-санитарные и фитосанитарные меры и процедуры.
-
Вода, применяемая в баллоэлектрическом генераторе, используется в замкнутом цикле.
-
При работе электростанции образуются отрицательные аэроионы, которые благоприятны для здоровья людей.
-
Зона, окружающая электростанцию может являться здоровьесберегающей.
Выводы
-
Проведя опыт с мультиметром, мы убедились в том, что суммарный
объемный заряд капель образующихся при разрушении водяной струи в распылителе равен нулю.
-
Для разделения электрических зарядов мы использовали магнитное
поле постоянных магнитов.
-
Была создана экспериментальная установка по исследованию
баллоэлектрического эффекта.
-
Мы доказали, что баллоэлектрический эффект можно использовать
для создания баллоэлектрической электростанции.
-
Разработали проект баллоэлектрической электростанции.
-
Доказали энергетическую и экологическую эффективность такого типа электростанций.
Список литературы:
-
Н.Ф. Емельянов СУДОВЫЕ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ (МГД) ДВИЖИТЕЛИ (принципиально новый тип судовых установок электродвижения с безвинтовым движителем) Владивосток 2000 г.
-
Ватажин А.Б., Любимов Г.А., Регирер С.А. Магнитогидродинамические течения в каналах. М., Физматгиз. 1970. – 138 с.
-
Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – Махачкала: Издательско–полиграфическое объединение “Юпитер”, 1996.
-
Ашкинази Л. МГД–генератор //Квант, 1980, № 11, С. 2–8.
-
Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы. – Москва: Знание, 1990 – 128 с.
-
«Альтернативная энергетика без тайн». Автор: Стэн Гибилиско / Stan Gibilisco
-
http://ru.wikipedia.org
-
http://www.c-o-k.ru/articles/problemy-ocenki-ekonomicheskoy-effektivnosti-energosnabzheniya
Приложение 1.
Приложение 2.
Приложение 3.
Приложение 4.
Приложение 5.