Исследование возможности использования вариаций магнитного поля Земли для получения электрической энергии в районах Крайнего Севера



В выпуске журнала «Юный ученый» № 5 за 2016 г. нами была опубликована статья [1] о разработанном нами проекте. Для преодоления транспортных и энергетических проблем районов Крайнего Севера нами было предложено использовать в качестве транспорта поезд на магнитной подушке [2], который бы питался от электростанций, преобразующих переменную составляющую магнитного поля Земли в электрический ток.

Такая электростанция была изобретена российским ученым Института прикладной геофизики имени академика Федорова Е. К. профессором Данилкиным Н. П. [3]. Разрабатывая проект, мы прониклись этой идеей и решили продолжать наши исследования. В рамках этой статьи показаны результаты, к которым мы пришли.

Итак, вкратце напомним суть. Наша планета Земля — это огромный магнит, обладающий постоянным магнитным полем (рис.1).

Рис. 1. Схема магнитного поля Земли до расстояний менее трех радиусов. По форме оно близко к полю эквивалентного магнитного диполя (http://dok.opredelim.com/docs/index-19723.html

Солнце постоянно оказывает влияние на нашу планету Земля. Кроме энергии в виде тепла, Земля ощущает на себе электромагнитное воздействие Солнца. Солнечные потоки подходя к Земле, обтекают ее, так как Земля защищена от этих частиц собственным магнитным полем. Однако конфигурация магнитного поля Земли такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а из нее в верхнюю атмосферу. Вследствие воздействия на нашу планету солнечной радиации, магнитное поле Земли постоянно изменяется и эти изменения особенно велики в зоне полярных сияний (рис.2). Там часто можно наблюдать магнитные бури и суббури, которые регистрируются магнитными станциями и обсерваториями.

Рис. 2. Иллюстрация взаимодействия Солнца и магнитосферы Земли (http://allatravesti.com/izmenenie_magnitnogo_polya_zemli)

Даже если на Солнце нет вспышек, вызывающих магнитные бури и сильные изменения магнитного поля Земли, оно постоянно изменяется. И если, на поверхности Земли расположить, например, контур, состоящий из одного или нескольких проводов, то в нем, в период изменения магнитного поля Земли, возникнет электрический ток.

На рисунке 3 вы видите схему предполагаемой электростанции. Здесь показано, что при изменении магнитного потока Ф (∆Ф = ∆BS, где ∆B — изменение вектора магнитной индукции, S — площадь, ограниченная контуром) в контуре возникает электродвижущая сила. Если при этом преобразовывать получаемый переменный электрический ток в постоянный, можно будет заряжать аккумуляторы.

Рис. 3 Схема электростанции

Накопленную электроэнергию в аккумуляторах, при необходимости можно будет преобразовать в переменный ток и использовать по назначению.

Самым сложным в этом способе получения электроэнергии оказалось реализовать его.

Целью нашего исследования мы поставили:

– исследовать характер изменения магнитного поля Земли (МПЗ), чтобы определить возможные технические параметры нашей электростанции;

– разработать выводы и предложения по повышению эффективности предложенного метода получения электроэнергии;

Задачи исследования.

Чтобы достичь целей нашего исследования нам необходимо:

– изучить, как можно определить технические параметры предполагаемой электростанции, а именно электродвижущую силу (ЭДС), возникающую в контуре, и полную мощность;

– провести поиск источников информации об изменениях магнитного поля Земли в арктическом регионе;

– провести сбор данных об изменении магнитного поля Земли;

– провести анализ поведения магнитного поля Земли;

– на основе данных об изменении МПЗ, провести расчеты ЭДС, мощности предполагаемой электростанции;

– провести расчет стоимости материалов для предполагаемой электростанции.

Мы провели поиск источников информации об изменениях магнитного поля Земли в арктическом регионе. Для этого мы исследовали сайты геофизических организаций, проводящих наблюдения за магнитным полем Земли. Мы выяснили, что сведения о вариациях магнитного поля Земли можно найти на сайтах известных геофизических институтов: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН), Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ), Институт прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова (ФГБУ «ИПГ»).

Рис. 4. Расположение Арктических магнитометрических станций

Оказывается, за магнитным полем Земли наблюдает целая сеть магнитометрических станций (рисунок 4) не только у нас в стране, но и по всему миру. Мы нашли станции, расположенные в Арктике, которые представляют результаты своих наблюдений в открытом доступе. На данном слайде вы видите данные с 5 арктических станций и одной среднеширотной станции (станция Горьковская).

Мы проанализировали поведение магнитного поля в районах расположения этих станций. По этим графикам можно сказать что возмущения магнитного поля Земли больше выражены в арктическом регионе (например, видно, что диапазон изменений вертикальной компоненты МПЗ на среднеширотной станции Горьковская составляет приблизительно 70 нТл., а в Арктическом регионе диапазон изменений достигает 500 нТл. И это при спокойном характере МПЗ). Внимательно просматривая графики, мы заметили, что характер изменения в одно и тоже время может быть разным. Например, на станции Певек в 17.00 04.02.2017 г. на приведенном выше графике вертикальная составляющая возрастает, а на станции Диксон в это же время — убывает. К выводам по этому наблюдению мы вернемся позже. Используя данные измерений наблюдательных станций Певек, Тикси и Диксон за ноябрь 2016 г. (рисунок 5), мы подсчитали за каждый день сумму изменений вертикальной компоненты вектора магнитной индукции.

Подсчитав сумму изменений вертикальной компоненты вектора магнитной индукции, мы заполнили таблицу1.

На основе этих подсчетов мы рассчитали среднесуточные значения ЭДС электростанции, построенной на основе одновиткового контура радиуса R=1000 м.

Рис. 5. Графики изменений компонент вектора магнитной индукции Земли за 04.02.2017 г. на наблюдательных станциях Горьковская(среднеширотная) Певек, Тикси, Ловозеро, Амдерма и Диксон. Z-вертикальная компонента вектора магнитной индукции. Н-компонента, направленная вдоль магнитного меридиана, Е-компонента направлена на географический восток

Таблица 1

Значения ЭДС электростанции исумма изменений вертикальной компоненты вектора магнитной индукции ∆Z, построенных на основе одновиткового контура радиуса R=1000 м., рассчитанных на основе реальных данных арктических станций Певек, Тикси иДиксон в ноябре 2016г.

На рисунке 6 показаны рассчитанные среднесуточные значения электродвижущей силы электростанции, построенной на основе одновиткового контура радиуса в 1 километр, рассчитанных на основе реальных данных арктических станций Певек, Тикси и Диксон в ноябре 2016 г.

Рис. 6. Графики изменения ЭДС на станциях Певек, Тикси и Диксон в ноябре 2016 г.

Мы видим, что электродвижущая сила, производимая такими электростанциями может быть от 10 микровольт до 560 микровольт, в зависимости от изменений магнитного поля Земли. По графику видно, что электростанции в Тикси и Диксон имеют более выгодное расположение.

Далее мы оценили мощность электростанции, основываясь на среднесуточном изменении вертикальной составляющей вектора магнитной индукции на станции Диксон (∆Z_Пср=4700 нТл).

Полная мощность нашей электростанции

,

где Ԑ_i — ЭДС, R_м — сопротивление медного контура,

составила 2,8 микроватт при использовании в качестве контура, медного провода диаметром 115 миллиметров. Понятно, что это очень мало.

Тогда мы решили подсчитать значения электродвижущей силы нашей электростанции, которая возникает в контурах различного радиуса. Кроме того, нами были подсчитаны затраты на использование в качестве контура медного провода и сверхпроводника.

В настоящее время в научно-исследовательском институте технической физики и автоматизации (НИИТФА ГК «Росатом») запущена новая линия по производству длинномерных лент-подложек для высокотемпературных сверхпроводников второго поколения [4]. Использование высокотемпературных сверхпроводящих кабельных линий является одним из перспективных направлений энергетики. Основные достоинства таких линий — высокая токовая нагрузка, малые потери электроэнергии, экологическая чистота и пожарная безопасность.

По оценке экспертов, эффективность использования высокотемпературных сверхпроводников на единицу силы тока выше, чем у обычных линий. Килограмм сверхпроводящего материала для провода во много раз дороже килограмма меди. Но если сравнить стоимость проводов, рассчитанных на равную силу тока, то сверхпроводящий провод окажется дешевле медного. Этот эффект можно заметить по приведенной ниже таблице (таблица 2) для радиусов контура больше 10 000 м.

В таблице 2 указаны значения электродвижущей силы электростанции, построенной на основе одновиткового контура различного радиуса, длина контура, ориентировочная стоимость медного и сверхпроводящего провода для контура, мощность электрического тока, возникающего в проводнике из меди и сверхпроводнике, сила тока в сверхпроводящем контуре.

Таблица 2

Сравнительные характеристики электростанций (ЭДС, длина контура, мощность, стоимость провода для контура, сопротивление, сила тока), построенной на основе одновиткового контура различного радиуса, рассчитанных на основе среднесуточных значений ∆Z= 4700 нТл в ноябре 2016 г. на станции Диксон

Выводы

Проанализировав данные наших расчетов, мы сделали следующие выводы:

1. Использование медного провода в качестве контура электростанции нецелесообразно. Большой объем энергии уходит на преодоление сопротивления проводника. Уменьшить сопротивление проводника можно за счет увеличения сечения проводника, но это повлечет увеличение его стоимости.
2. Проанализировав данные магнитных станций, мы пришли к выводу, что электростанции эффективнее располагать в зоне полярных сияний. Причем, чем выше широта расположения электростанции, тем эффективнее.
3. Характер изменения магнитного поля Земли в высоких широтах в разных районах может не совпадать во времени. По этой причине целесообразно площадь, используемую под электростанцию, делить на несколько контуров меньшего размера и с помощью специальных переключателей согласовывать работу малых контуров так, чтобы ток в них протекал в одном направлении.
4. Необходимо рассмотреть возможность использования уже существующих сетей для получения дополнительного ЭДС и соответственно дополнительных мощностей.
5. Для предотвращения аварий на передающих кабельных сетях и трансформаторных подстанций необходимо учитывать прогноз геомагнитной активности.
6. Сегодня в промышленных масштабах получение электроэнергии таким способом очень дорого. Поэтому целесообразно строительство экспериментальной электростанции с целью отладки технологий и получения дополнительных мощностей к уже имеющимся. Развитие технологий производства высокотемпературных сверхпроводников, удешевление стоимости их производства и использование их при строительстве подобных электростанций позволит получать более дешевую электроэнергию в необходимых объемах.

Заключение:

В полярных областях Земли имеется возобновляемый и экологически чистый источник энергии, который непрерывно пополняется процессами, происходящими в результате взаимодействия Солнца и магнитного поля Земли. Современный уровень производства сверхпроводников позволяет создать экспериментальную электростанцию с целью отладки технологий получения электроэнергии в полярных районах Земли. В будущем применение таких технологий позволит в значительной степени сберечь ресурсы и улучшить экологию нашей планеты.

PS: Наш проект и результаты проведенных исследований были представлены:

–на VIII и IX Открытой конференции школьников “ЗОВ ВСЕЛЕННОЙ”, где наша работа стала победителем;

–на Городском конкурсе проектных работ по ресурсосбережению «Ресурсосбережение: инновации и таланты» в рамках Городского фестиваля научно-технического творчества молодёжи «Образование. Наука. Производство» наша работа стала призером конкурса и в числе лучших 10 проектов тематического направления «Энергосбережение» была представлена на Городской научно-практической конференции «Энергосбережение — не экономия, а рациональное потребление» на базе Центра по энергосбережению ПАО «Мосэнергосбыт».

Нашу работу мы отправили на рецензию в корпорацию «Русский сверхпроводник». Генеральный директор корпорации А. В. Кацай написал отзыв на нашу работу. По его мнению, результаты наших исследований и выводы по нашей работе можно использовать для обеспечения автономной работы слаботочного оборудования: исследовательских приборов, систем связи, метеолокации и др. Работа над проектом не заканчивается, мы планируем наши исследования продолжить в направлении изучения свойств сверхпроводников, а также провести расчеты по учету затрат энергии на охлаждение сверхпроводникового контура.

Литература:

1. Коробко П. И., Фролова В. М., Лобанов И. А., Титова Н. А., Паньшина С. Г., Паньшин Е. А. Использование магнитного поля Земли в решении проблем районов Крайнего Севера // Юный ученый. — 2016. — № 5. — С. 62–68.
2. Каку М. Физика будущего. Перевод с английского. Москва 2014 г.;
3. Данилкин Н. П. «О возможности получения электрической энергии из ионосферы» «Электричество». 1996, № 4, с. 71–75;
4. sdelanounas.ru [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://sdelanounas.ru/blogs/77885