Исследовательская работа,включающая в себя теоретическую и экспериментальную деятельность.Содержит в себе реферат,презентацию и видео.
Вложение | Размер |
---|---|
реферат | 158.91 КБ |
презентация | 1.68 МБ |
эксперимент | 1.05 МБ |
“Моделирование МГД – генератора”
Работу выполнила:
Трухачева Любовь Станиславовна
МБОУ СОШ №11 9В класс
Научный руководитель:
Балакишиева Алла Викторовна
учитель I квалификационной категории.
г. Архангельск
2013 год
Энергетические ресурсы Земли практически неисчерпаемы, их хватит на многие тысячи лет, так как люди для своих нужд потребляют различные виды энергии: ядерную, химическую, тепловую, механическую. Но самой удобной для удовлетворения потребностей человека является электрическая энергия. Чтобы добыть ее используют энергию рек, Солнца, ветра и т. д. В зависимости от источника строят различные типы электростанций.
Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива, использование которого к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии.
Нужны были какие-то новые идеи, и ученые нашли их. Это принципиально новый магнитогидродинамический способ получения электрической энергии, суть которого заключается в том, что тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую энергию.
Это и стало темой исследования: “ Магнитогидродинамический способ получения электрической энергии”.
Целью исследования является описание, демонстрация и возможности использования магнитогидродинамического эффекта.
Объектом исследования является: движение заряженных частиц в магнитном поле.
Предмет исследования: магнитогидродинамический эффект, магнитогидродинамический генератор.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
Теоретическая часть
Магнитогидродинамический эффект.
Магнитогидродинамический эффект - возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, т.е. на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы и ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства - магнитогидродинамические генераторы (МГД генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
Если проводником является жидкость, то генерирование электроэнергии идет только вследствие преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока электропроводной жидкости практически при постоянной температуре.
Эффект заключается в том, что жидкость, через которую пропускают ток, в магнитном поле приходит в движение. Направление и сила этого движения определяются законами Ампера.
МГД-генератор.
Магнитогидродинамический генератор, МГД-генератор — энергетическая установка, в которой энергия рабочего тела (жидкой или газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется непосредственно в электрическую энергию.
В МГД-генераторе происходит прямое преобразование механический энергии движущейся среды в электрическую энергию. Движение таких сред описывается магнитной гидродинамикой, что и дало наименование устройству.
История изобретения.
Майкл Фарадей в 1832 году пытался обнаружить ЭДС между электродами, опущенными в реку Темзу (в потоке речной воды есть ионы растворённых солей, движущиеся в магнитном поле Земли), но чувствительность измерительных приборов была слишком мала, чтобы обнаружить ЭДС. В дальнейшем, в 1851 году английскому учёному Волластону удалось измерить ЭДС[1], индуцированную приливными волнами в Ла-Манше, однако отсутствие необходимых знаний по электрофизическим свойствам жидкостей и газов долго тормозило использование описанных эффектов на практике.
В последующие годы исследования развивались по двум основным направлениям: использование эффекта индуцирования ЭДС для измерения скорости движущейся электропроводной среды (например, в расходомерах) и генерирование электрической энергии.
Хотя первые патенты на МГД-преобразования энергии были выданы ещё в самом начале XX века, описанные в них конструкции были на практике нереализуемы.
Первый экспериментальный МГД-генератор мощностью всего в 11,5 кВт был построен в 1959 г. в США. В 1965 г. в СССР был исследован первый советский МГД-генератор, а в 1971 г. состоялся пуск опытно-промышленной установки — своеобразной электростанции с МГД-генератором мощностью 25 МВт.
Устройство.
МГД-генератор состоит из канала, по которому движется рабочее тело (обычно плазма), системы электромагнитов для создания магнитного поля и электродов, отводящих полученную энергию.
Схема плазменного МГД-генератора: 1 — генератор плазмы; г — сопло; 3 — МГД-канал; 4 — электроды с последовательно включённой нагрузкой; 5 — магнитная система, создающая тормозящее магнитное поле; Rн — нагрузка.
Принцип действия.
Когда электропроводящая жидкость, в частности жидкий металл, течет в магнитном поле и при этом имеется компонента скорости, перпендикулярная вектору магнитной индукции, в жидкости возникает электрическое поле, и текут электрические токи. Эти токи взаимодействуют с магнитным полем. Во-первых, возникает механическая объемная сила электромагнитного происхождения (сила Лоренца), которая, добавляясь к другим силам, действующим в жидкости, видоизменяет характер течения. Во-вторых, собственное магнитное поле токов накладывается на исходное внешнее поле, или ослабляя, или усиливая его. Характер МГД-явлений в жидких металлах и электролитах определяется, прежде всего, несжимаемостью среды. Среда эта является хорошим проводником, но характерные размеры течений невелики, вследствие чего поля, возбуждаемые токами, малы или того же порядка, что и приложенное поле.
МГД-генератор предназначен непосредственно преобразовывать тепловую энергию в электрическую, т.е. без использования тепломеханического оборудования. Для реализации такого способа необходимо иметь рабочее тело в виде плазмы. Однако плазменное состояние, например, продуктов сгорания, наступает при очень высокой температуре. Поэтому предполагалось вводить в продукты сгорания ионизирующую добавку –K2SO4. При реализации такого технического решения встретились большие трудности из-за высокой температуры рабочего тела.
Пусть имеется поток свободных заряженных частиц (электронов, ионов).
Если этот поток попадёт в область магнитного поля перпендикулярно силовым линиям, то на каждую заряженную частицу будет действовать сила Лоренца. Положительно заряженные частицы будут отклоняться в одну сторону, отрицательно заряженные – в противоположную. Если в нужных местах разместить два электрода, то на них будут скапливаться разноимённые заряды и возникнет ЭДС; а в проводнике, соединяющем электроды, пойдёт электрический ток. Получим источник электричества, в котором нет никаких движущихся, вращающихся механических частей, в отличие от других известных генераторов электрической энергии.
Принцип работы МГД-генератора основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В МГД-генераторе проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперёк магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков.
Если в обычных электрогенераторах электрический ток получается в результате движения в магнитном поле твердых проводников, то в МГД-генераторе роль движущего проводника играет протекающий с большой скоростью (около 1000м/с) ионизированный газ или электропроводная жидкость. В МГД-генераторе нет никаких движущихся частей, поэтому этот метод называют также методом безмашинного преобразования тепла в электричество. Он позволит повысить КПД электростанций на 10-15%, а каждый процент-это экономия миллионов тонн топлива.
Рабочим телом МГД-генератора могут служить следующие среды:
Силы действующие в жидкости при МГД-течении:
При движении потока газа в поперечном магнитном поле в газе индуцируется электрическое поле с напряженностью
E = V ⋅ B,
где V – скорость потока; B – индукция внешнего магнитного поля.
Удельная электрическая мощность, отнесенная к единице объема МГД-канала, равна
Nv= σ.V2.B2. s.(1-s),
где σ – проводимость потока газа; s=E/(V.B)– коэффициент нагрузки.
Из этой формулы видно, что удельная мощность Вт/м3 пропорциональна квадрату скорости потока.
Первые МГД-генераторы использовали в качестве рабочего тела электропроводные жидкости (электролиты), в настоящее время применяют плазму, в которой носителями зарядов являются в основном свободные электроны и положительные ионы, отклоняющиеся в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля. В таком генераторе может наблюдаться дополнительное электрическое поле, так называемое поле Холла[2], которое объясняется смещением заряженных частиц между соударениями в сильном магнитном поле в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.
Характеристики
Скорости потока в МГД-генераторе могут быть в широком диапазоне — от дозвуковых до сверхзвуковых.
Индукция магнитного поля определяется конструкцией магнитов и ограничивается значениями около 2 Тл для магнитов со сталью и до 6—8 Тл для сверхпроводящих магнитных систем.
Классификация
В рабочем теле, протекающем через поперечное магнитное поле, возникает электрический ток, который через съёмные электроды, вмонтированные в боковые стенки канала, замыкается на внешнюю цепь. В зависимости от изменения магнитного поля или скорости движения рабочего тела такой МГД-генератор может генерировать постоянный или пульсирующий ток
В индукционных МГД-генераторах электроды отсутствуют. Такие установки генерируют только переменный ток и требуют создания бегущего вдоль канала магнитного поля.
Наибольшее распространение с 1970-х годов получили кондукционные линейные МГД-генераторы на продуктах сгорания ископаемых топлив с присадками щелочных металлов, работающие по открытому циклу.
Достоинства и недостатки.
Достоинства.
Недостатки
Применение МГД-генератора.
Теоретически, существуют четыре направления промышленного применения МГД-генераторов:
Циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые перспективны для атомной энергетики и для специальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности.
Эксперимент «Хибины»
Эксперимент «Хибины» на полуострове Рыбачий начался, когда совсем неподалеку, близ Заполярного, на Кольской сверхглубокой закончился первый этап бурения. В газете «Правда» появилась первая статья об этой работе. В 1986-м Сверхглубокая смогла достигнуть рекордной отметки — 12262 метра. Скважина вошла в Книгу рекордов Гиннесса. Говорят, что каждый ее метр знаменовался новым научным открытием. Опыты на Рыбачьем позволили исследователям «просветить» Землю вниз на тридцать километров. Но о них мало что известно.
Эксперимент был окружен завесой строжайшей секретности. Говорят, что после первых пусков магнитогидродинамического генератора (МГД-генератор) на Рыбачьем правительство Норвегии заявило Советскому Союзу протест. Норвежцы сочли, что улавливаемые аппаратурой подземные импульсы — это последствия испытаний ядерного оружия, которые проходили на Кольской земле.
По описанию очевидцев, со стороны это действительно было похоже на атомный взрыв. Над морем вставало грибовидное облако. Упираясь тонкой ножкой в землю, оно росло и колыхалось. Зрелище сопровождалось грохотом, который эхом отдавался среди скал и разносился над Мотовским заливом.
Но это был не взрыв атомной бомбы, а последствия короткого — восьмисекундного — удара электрическим током огромной силы — около 20 тысяч ампер. Его вырабатывал МГД-генератор. От него по двум мощным алюминиевым кабелям ток проходил в заливы, окружающие перешеек между губами Кутовая и Волоковая.
Заряд «растекался» в море, образуя вокруг Рыбачьего расходящиеся петли радиусом 50-100 километров.
Доктор геолого-минералогических наук Абдулхай Жамалетдинов, сотрудник Кольского филиала РАН, тогда отметил, что этот эксперимент позволил разобраться в основных чертах структуры электропроводности древнего кристаллического щита. Результаты, надо сказать, оказались неожиданными. Прежде ученые считали, что Балтийский кристаллический щит — это сравнительно однородная область, сложенная плохо проводящими породами. В действительности же обнаружено около десятка крупных блоков разного электрического сопротивления. В ходе эксперимента выявлены зоны, перспективные с точки зрения поиска месторождений полезных ископаемых.
Ученые утверждали, что МГД-генератор может стать незаменимым помощником для поиска и оценки углеводородных месторождений. С помощью его импульсов можно определять границу между нефтью и газом, нефтью и водой, оценивать толщину залежей нефти. Эксперименты, начавшиеся на Кольском полуострове, предполагалось продолжить еще и на Сахалине. Президиум Академии наук СССР утвердил программу работ по исследованию геоэлектрическим методом земной коры в рудных и нефтегазоносных районах Севера и Дальнего Востока СССР на 1981—1985гг.
От МГД-генератора, который мог бы показать, где находятся залежи, сейчас остались лишь руины. Объект, который был гордостью советской науки, разобрали «металлисты». Уникальное оборудование оказалось в скупке как обычный металлолом…
Практическая часть
Представлена в виде видеофрагментов лабораторного исследования и презентации в приложении.
Рис.1 СХЕМА
Рис.2 РАЗДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДОВ
Рис.3 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА
Фото 1 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
Фото 2 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.
[1] Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока.
[2] Эффе́кт Хо́лла — явление возникновения поперечной разности потенциалов(называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле
Слайд 1
АСПЕКТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ : 1 ) Физический 2 ) Технический МОДЕЛИРОВАНИЕ МГД- ГЕНЕРАТОРАСлайд 2
ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ МГД-ГЕНЕРАТОРА Майкл Фарадей в 1832 году пытался обнаружить ЭДС между электродами, опущенными в реку Темзу
Слайд 3
ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ МГД-ГЕНЕРАТОРА В 1851 году английскому учёному Волластону удалось измерить ЭДС, индуцированную приливными волнами в Ла-Манше Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних (не потенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока.
Слайд 5
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ МГД-ГЕНЕРАТОРА
Слайд 6
ТЕХНИЧЕСКИЙ АСПЕКТ
Слайд 7
МОДЕЛИРОВАНИЕ МГД-ГЕНЕРАТОРА
Слайд 8
В МГД-генераторе очень сильное магнитное поле. Положительно заряженные частицы отклоняются в одну сторону, отрицательно заряженные – в противоположную.
Слайд 9
СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ МГД-ГЕНЕРАТОРА
Зимняя ночь. Как нарисовать зимний пейзаж гуашью
Груз обид
Снежная зима. Рисуем акварелью и гуашью
Сверчок
Музыка космоса