从海中的电容器中获取能量

电器工程 电容器
2022-01-28 14:28:22

首先对不起我的英语不是我的母语。

问题陈述:

将圆柱形电容器放置在海中,因此当波浪到来时(水上升),水成为电容器的电介质,当波浪通过时(水下降),空气成为电介质。所以现在当水位最高时,我将电池连接到电容器上。

在此处输入图像描述

当水下降时,我将电容器与电池分离,这将创建一个隔离系统,其中电荷保持恒定并且可以改变电容器板之间的电位差。

在此处输入图像描述

重力使电容器板之间的水下降,因此它降低了电容器的电容。水的介电常数相当高(约81),电容的变化也相当大。

电荷保持不变,但电容器极板之间的电位差增加了。这意味着系统中的能量增加了。所以我找到了一种在不移动物体的情况下从波浪运动中获取能量的方法……但是……

  1. 解释为什么这个系统在实践中不能真正起作用。
  2. 想想如何让它工作(即使性能降低,如何让电容保持在同一高度也不考虑)。
  3. 估计这种设备可以产生多少能量。

解决方案的尝试

我认为这不起作用,因为海水没有经过蒸馏,这意味着它会传导电流。所以现在有电流流过电容器板,我认为这会损坏电容器本身。或者电池会因为里面有海水的电容器短路而损坏?

为了使其工作,我认为需要将蒸馏水放入电容器或另一种绝缘材料中,并由于波浪运动使其在电容器中上下移动。

我完全不知道如何估计这种设备可以产生多少能量。

如果我没记错圆柱形电容器中的能量计算为:

$$U = \frac{1}{2}C\Delta V^2$$

所以我想计算

Uw = energy when the capacitor is filled with water

然后

Ua = energy when the capacitor is filled with air

然后做

Uw-Ua = energy generated by the device

但我不确定这是否正确。

你怎么看?

1个回答

是的,您可以通过这种方式将波浪能转换为电能(但效率极低——有更好的方法从波浪中提取能量)。

两个方程式涵盖了您的提议。首先是电荷、电容和电压之间的关系:

$$Q = C \cdot V$$

二是能量、电容和电压的关系:

$$E = \frac{1}{2}C \cdot V^2$$

首先在装满水的电容器上充电,然后除去水。第一个方程告诉我们,如果电容下降 81 倍,那么电压必须上升同样的倍数,因为此时,电荷无法流向任何地方。

但是第二个等式表示,如果电容器中含有一定量的水,那么它的能量是它的 81 倍!电容下降了 81 倍,但\$V^2\$上升了 81 2倍。为了保持方程平衡,E 必须增加 81 倍。

这种能量是从哪里来的?从充电的电容器中去除电介质需要体力劳动。在这种情况下,当重力在波浪的低部分将其拉出时,电容器内水质量的势能会降低。当下一个峰值出现时,波浪中的能量会推动水逆重力上升。

当您将真实的物理数字放在您可以实际使用的 C 和 V 的值上时,您很快就会意识到您可以提取的功率(每次能量)是微乎其微的。