IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
МЭС: молниевая электростанция как способ утилизации энергии молний и устройство для его осуществления
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Если молния освещает все небо, почему не может осветить весь дом? Исходя из того, что есть возможность истощения запасов ресурсов естественного топлива (нефтяные, газовые и др) с течением временем, проводятся работы, связанные с поиском альтернативных источников энергии. Один из них -это грозовая энергетика.
Грозовая энергетика является способом, позволяющим получать энергию на базе того, что фиксируется и перенаправляется энергия молний в электрические сети. Указанный тип энергетики базируется на возобновляемом источнике энергии. Молния является большим искровым электрическим разрядом, который появляется в атмосфере. Значение величины тока при разряде молний может достичь до нескольких десятков и даже сотен тысяч ампер, а значение величины напряжения – до миллионов вольт.
Изучив опыт американских ученых, мы пришли к выводу, чтобы накапливать электрическую энергию от молнии необходимо в электростанции установить оборудование не для накапливания электроэнергии(т.к. таких конденсаторов еще не существует), а использовать часть преобразованной энергии для работы маховика, а остальную накапливать в конденсаторе.
Если удастся создать грозовую энергетическую станцию, то в местах, где это будет возможно, люди получат экологически чистую энергию, и человечество сможет подчинить ещё один из неисследованных ресурсов.
Основная часть
Параметры молнии.
Десятки тысяч «бесплатных» и экологически чистых ампер, пусть и развиваемых в течении тысячных долей секунды, - слишком заманчивый источник энергии, чтобы отмахнуться от этой затеи. Каждый когда-нибудь задумывался: а нельзя ли как-то молнии ловить и переправлять в энергетические сети? Дабы питать холодильники. Лампочки прочие приборы. Разговоры о таких станциях ведутся уже много лет, но не исключено, что скоро мы увидим действующий образец «сборщика молний». Мо́лния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, который проявляется яркой вспышкой света с сопровождением грома. Сила тока в разряде молнии на Земле достигает 10-500 тысяч ампер, напряжение — от десятков миллионов до миллиарда вольт. Мощность разряда — от 1 до 1000 ГВт. Количество электричества, расходуемого молнией при разряде — от 2 до 10 кулон.
Технический результат проекта.
Сущность проекта заключается в том,что устройство отбора атмосферного электричества и защиты объектов от удара молнии, содержит молниеприемник, изолированный от земли и электрически соединенный с обмоткой тороидального трансформатора. Обмотка трансформатора последовательно соединена с колебательным контуром. Колебательный контур включает в себя рабочую индуктивность и конденсатор, настроенного на промышленную частоту. Энергию подают на маховик для механической работы или накапливают.
М олниеприемник.
Молниеприемником служит металлическая труба, электрически соединенная одним концом с обмоткой трансформатора, другой заземлен. Использование в качестве молниеприемника трубы позволит в наибольшей степени снизить вероятность прорыва молнии. В трубу снизу вставлен цилиндрический толстостенный стакан из материала с большой диэлектрической проницаемости. Импульсный ток молнии воспринимается тороидальным трансформатором, расположенным вокруг снижения заземленного молниеприемника, в котором возникает импульсная ЭДС, соединенным с выпрямителем и накопительным конденсатором. Стартовый тороидальный трансформатор, многоярусной конструкции, позволяет снизить напряжение молнии.
П уть в контуре.
Принцип работы системы представлен на фиг.1, где L1 - стартовый тороид, L - рабочая индуктивность, Lтр - трансформатор тока, С, Ср - конденсаторы электрические, М - маховик или иная механическая нагрузка.
При ударе молнии через снижение при напряжении 106 В протекает импульсный ток величиной порядка (0.5-1) 106 A за время Δt≈10-3 с.
Этот ток создает импульсное магнитное поле, силовые линии которого есть окружности, плоскости которых ортогональны снижению, а центры совпадают со снижением. По силовым линиям располагается стартовый тороид L1 радиуса r, в котором возникает импульсная ЭДС Е0, производя ударное возбуждение контура (L1+L, C, R).
Возникающий в контуре ток i создает свое магнитное поле и в трансформаторе тока Lтр энергия поля трансформируется в ЭДС Е, которая питает асинхронный двигатель переменного тока, включенный по схеме последовательного резонанса через конденсатор Ср. Двигатель либо совершает механическую работу по повышению потенциальной энергии жидкости или газа посредством насоса, или раскручивает маховик М, в котором происходит утилизация энергии в механической форме.
Двигатель должен работать длительное время, что предполагает высокую добротность контура и в свою очередь требует величины индуктивности порядка сотен Гн, а электрического сопротивления - доли или единицы Ом. Так как при импульсном воздействии при столь больших индуктивностях величина импульсной ЭДС может оказаться чрезвычайно большой и вызвать пробой обмоток и конденсатора, а также создать вторичные молнии, общая индуктивность разбивается на две части.
Стартовая индуктивность L1 выбирается значительно меньшей величины, чем рабочая L, величина которой составляет несколько сотен Гн, но располагается так, что магнитосцепление ее с основным магнитным полем снижения отсутствует.
Для повышения энергетической эффективности установки конструкцию установки утилизации энергии молнии выполняют многоярусной по высоте снижения молниеотвода, т.е. при одном ударе молнии энергия заканчивается через отдельные тороидальные трансформаторы в несколько резонасных контуров, следовательно, в несколько двигателей одновременно.
Предварительные параметры.
Расчет грозовой электростанции рассчитан, в первую очередь, на определение выходной мощности. Ведь задача любой электростанции заключается в максимальной энергетической эффективности, чтобы окупить средства на эксплуатацию и установку, а также производство электроэнергии. Чем выше количество выходной энергии, тем больший доход она принесет, и большее количество объектов будет ею обслужено. Так как основой входящей энергии грозовой электростанции является грозовой разряд, то, благодаря схожести его состава с выходной электроэнергией, расчет мощности электростанции практически эквивалентен мощности заряда молнии за исключением внутренних потерь.
U(напряжение на обмотке трансформатора) = 75 кВ
Р(мощность на обмотке трансформатора)= 225 ГВт
S(сечение медного провода для тт) = 50 кв.мм
n(число витков) =1000
l(длина провода)=2500м
R(сопротивление провода)= 1 Ом
Рвых=29 кВт (максимальная мощность которую может отдать установка)
Преимущества и недостатки.
Преимущества грозовых электростанций:
Грозовая электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей.
Оборудование грозовых станций не бросается в глаза. Тороидальный трансформатор находится высоко , и не занимает большой площади на Земле.
Недостатки грозовых электростанций:
Грозовое электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать.
Высокое напряжение в системах грозовых электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала.
Общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограниченно.
В лучшем случае грозовая энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.
Таким образом, грозовая энергетика в настоящее время достаточно ненадежна и уязвима. Однако это не уменьшает ее значимости в пользу перехода на АИЭ. Некоторые районы планеты насыщены благоприятными условиями, что может значительно продолжить изучение грозовых явлений и получение из них необходимого электричества.
Использование в жизни.
Медведицкая гряда, расположенная не далеко от города Жирновск в Волгоградской области, является аномальной зоной из-за большого кол-ва ударов молнии в год. МЭС построенная на территории Медведицкой гряды может являться не только предприятием по преобразованию электроэнергии от молнии, но и туристическим объектом. С 2008 года в районе Медведицкой гряды усилилась молниевая и грозовая интенсивность. По данным ученых на участке радиуса 3 км были обнаружены десятки молниевых дорожек и кратеров. Данный проект (МЭС) позволил бы вырабатывать электроэнергию в чистом виде в данном районе, например для снабжения энергией турбазы.
Расчет грозовой электростанции рассчитан, в первую очередь, на определение выходной мощности. Ведь задача любой электростанции заключается в максимальной энергетической эффективности, чтобы окупить средства на эксплуатацию и установку, а также производство электроэнергии. Чем выше количество выходной энергии, тем больший доход она принесет, и большее количество объектов будет ею обслужено. Так как основой входящей энергии грозовой электростанции является грозовой разряд, то, благодаря схожести его состава с выходной электроэнергией, расчет мощности электростанции практически эквивалентен мощности заряда молнии за исключением внутренних потерь.
Турбаза с количеством туристов 50 человек.
6430,623 кВт час – в год на человека
1607 кВт час – на 1 человека в летний сезон( 3 месяца)
80382,8 кВт час – вся турбаза за весь летний сезон
За один удар молнии МЭС покроет потребление электроэнергией одного месяца работы турбазы.
Заключение.
В процессе работы над проектом сделаны выводы об истощении ресурсов планеты и загрязнении атмосферы и поверхности земли в процессе их переработки и добычи. Кроме того, рассмотрены основные виды замены вредного производства на более щадящее путем выработки энергии из чистых природных источников таких, как вода, приливы, Солнце и др.
В проекте рассматривается возможность использования энергии грозовых разрядов для преобразования их в электроэнергию. Выполнены расчеты по количеству и стоимости грозового разряда. Однако данные расчеты относительны. Ведь энергия молнии расходуется на атмосферные процессы, и лишь ее небольшая часть добирается до электростанции.
Используемая литература:
1. Википедия.
2. Баланчевадзе В.И., Барановский А.И. и др. Энергетика сегодня
3. Шефтер Я.И. Использование энергии.
4. Шейдлин А.Е. Новая энергетика
5. Юдасин Л.С. Энергетика: проблемы и надежды