Магнитогидродинамический генератор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
МГД-генератор Фарадея с линейным соплом и сегментированными электродами:
entry - входное отверстие для подвода рабочего тела (ионизированного газа);
acceleration nozzle - сопло для увеличения скорости рабочего тела;
solenoids - соленоиды для создания магнитного поля;
segmented electrodes - электроды, разделённые на сегменты для уменьшения эффекта Холла;
output - выходное отверстие для вывода рабочего тела;
красная линия - направление движения отрицательно заряженных частиц;
синяя линия - направление движения положительно заряженных частиц;
B - магнитная индукция;
I - электрический ток;
v - скорость рабочего тела

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.

Происхождение названия[править | править вики-текст]

В МГД-генераторе происходит прямое преобразование механической энергии движущейся среды в электрическую энергию. Движение таких сред описывается магнитной гидродинамикой (МГД), что и дало наименование устройству.

Принцип действия[править | править вики-текст]

Принцип работы МГД-генератора, как и обычного машинного генератора, основан на явлении электромагнитной индукции, то есть - на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В отличие от машинных генераторов проводником в МГД-генераторе является само рабочее тело.

Рабочее тело движется поперёк магнитного поля, и под действием магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков.

На заряженную частицу действует сила Лоренца.

Разделение положительно (q>0) и отрицательно (q<0) заряженных частиц под действием магнитного поля B

Рабочим телом МГД-генератора могут служить следующие среды:

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. Под действием магнитного поля носители зарядов отклоняются от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля. При этом в сильном магнитном поле может возникать поле Холла (см. Эффект Холла) - электрическое поле, образуемое в результате соударений и смещений заряженных частиц в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

Устройство[править | править вики-текст]

МГД-генератор состоит из канала, по которому движется рабочее тело (обычно плазма), системы магнитов для создания магнитного поля и электродов, отводящих полученную энергию. В качестве магнитов могут быть использованы электромагниты или постоянные магниты, а также другие источники магнитного поля.

Газ способен проводить (см. электропроводность) электрический ток при нагреве до температуры термической ионизации, составляющей около 10 000 К. Для снижения этой температуры до 2 200-2 700 К в разогретый газ вводят присадки, содержащие щелочные металлы. Например, введение 1 % калия в виде поташа позволяет увеличить электропроводность в десятки раз. Без присадок при температурах 2 200-2 700 К газ представляет собой низкотемпературную плазму и проводит ток хуже воды.

В отличие от МГД-генератора с жидким рабочим телом, где генерирование электроэнергии идёт только за счёт преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока при постоянной температуре, в МГД-генераторах с газовым рабочим телом принципиально возможны три режима:

  • с сохранением температуры и уменьшением кинетической энергии;
  • с сохранением кинетической энергии и уменьшением температуры;
  • со снижением и температуры, и кинетической энергии.

Описание работы МГД-генератора:

  • в камеру сгорания подаются топливо, окислитель и присадки;
  • топливо сгорает и образуются продукты горения - газы;
  • газы проходят через сопло, расширяются и увеличивают свою скорость до сверхзвуковой;
  • газы поступают в камеру, через которую пропускается магнитное поле, и в стенках которой установлены электроды;
  • заряженные частицы из ионизированного газа, оказавшись под влиянием магнитного поля, откланяются от первоначальных траектории под действием силы Лоренца и устремляются к электродам;
  • между электродами возникает электрический ток.

Классификация[править | править вики-текст]

Источниками тепла в МКД-генераторах могут быть:

В качестве рабочих тел в МКД-генераторах могут использоваться:

По типу рабочего цикла различают МГД-генераторы:

  • с открытым циклом. Рабочее тело (продукты сгорания) смешивается с присадками (щелочными металлами), проходит через рабочую камеру МГД-генератора, очищается от присадок и выбрасывается в атмосферу;
  • с замкнутым циклом. Рабочее тело подаётся в теплообменник (получает тепловую энергию, возникшую при сжигании топлива), поступает в рабочую камеру МГД-генератора, проходит через компрессор и, замыкая цикл, возвращается в теплообменник.

По способу отвода электроэнергии различают МГД-генераторы:

  • кондукционные - генерирующие постоянный или пульсирующий ток (в зависимости от величины изменения магнитного поля или скорости движения рабочего тела). В рабочем теле, протекающем через поперечное магнитное поле, возникает электрический ток. Ток замыкается на внешнюю цепь через съёмные электроды, вмонтированные в боковые стенки канала;
  • индукционные - генерирующие переменный ток. В таких МКД-генераторах электроды отсутствуют, и требуется создание бегущего вдоль канала магнитного поля.

По форме каналы в МГД-генераторах могут быть:

  • линейные (в кондукционных и индукционных генераторах);
  • дисковые и коаксиальные холловские (в кондукционных генераторах);
  • радиальные (в индукционных генераторах).

По конструкции и способу соединения электродов различают следующие МГД-генераторы:

  • фарадеевский генератор. Электроды выполнены сплошными или разделены на секции. Разделение на секции выполняется для уменьшения циркуляции тока вдоль канала и через электроды (для уменьшения эффекта Холла). В результате носители заряда движутся перпендикулярно оси канала на электроды и в нагрузку. Чем значительнее эффект Холла, тем на большее число секций необходимо разделить электроды, причём каждая пара электродов должна иметь свою нагрузку, что весьма усложняет конструкцию установки;
  • холловский генератор. Электроды расположены друг против друга и короткозамкнуты. Напряжение снимается вдоль канала за счёт наличия поля Холла. Применение таких МГД-генераторов наиболее выгодно при больших магнитных полях. За счёт наличия продольного электрического поля, можно получить значительное напряжение на выходе генератора;
  • сериесный генератор. Электроды соединены диагонально.

Наибольшее распространение с 1970-х годов получили кондукционные линейные МГД-генераторы на продуктах сгорания ископаемых топлив с присадками щелочных металлов, работающие по открытому циклу.

История изобретения[править | править вики-текст]

Впервые идея использования жидкого проводника была выдвинута Майклом Фарадеем в 1832 году. Он доказал, что в движущемся проводнике, находящемся под действием магнитного поля, возникает электрический ток. В 1832 году Фарадей с помощниками спустил с моста Ватерлоо в воду реки Темза два медных листа. Листы были подключены проводами к гальванометру. Ожидалось, что воды реки, текущей с запада на восток, - движущийся проводник и магнитное поле Земли создадут электрический ток, который зафиксируется гальванометром. Опыт не удался. К возможным причинам неудачи причисляют низкую электропроводность воды и малую величину напряженности магнитного поля Земли.

В дальнейшем, в 1851 году английскому учёному Волластону удалось измерить ЭДС, 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 генерирование электричества МГД-генератором с применением ионизированного газа энергии были выданы ещё в 1907-1910 гг., описанные в них конструкции были на практике нереализуемы. Тогда не существовало материалов, способных работать в газовой среде при температуре 2 500-3 000 °C.

Создание МГД-генераторов стало возможным после открытия новой науки - магнитной гидродинамики. Основные законы МГД были открыты в 1944 г. шведским ученым Ханнесом Альфвеном при изучении поведения космической плазмы (плазмы, заполняющей межзвездное пространство) в магнитном поле.

Первый работающий МГД-генератор был построен только в 1950-х годах благодаря развитию теории магнитной гидродинамики и физики плазмы, исследованиям в области физики высоких температур и созданию к этому времени жаропрочных материалов, использовавшихся тогда, прежде всего, в ракетной технике.

Источником плазмы с температурой 3 000 K в первом МГД-генераторе, построенном в США в 1959 году, служил плазмотрон, работавший на аргоне с присадкой щелочного металла для повышения степени ионизации газа. Мощность генератора составляла 11,5 кВт. К середине 1960-х годов мощность МГД-генераторов на продуктах сгорания удалось довести по 32 МВт («Марк-V», США).

В СССР первая лабораторная установка «У-02», работавшая на природном топливе, была создана в 1965 году. В 1971 году была запущена опытно-промышленная энергетическая установка «У-25», имеющая расчётную мощность 20—25 МВт.

«У-25» работала на продуктах сгорания природного газа с добавкой K2CO3 в качестве ионизирующейся присадки, температура потока — около 3 000 К. Установка имела два контура:

  • первичный, разомкнутый, в котором преобразование тепла продуктов сгорания в электрическую энергию происходит в МГД-генераторе;
  • вторичный, замкнутый — паросиловой контур, использующий тепло продуктов сгорания вне канала МГД-генератора.

Электрическое оборудование «У-25» состояло из МГД-генератора и инверторной установки, собранной на ртутных игнитронах.

Модель магнитогидродинамической установки У-25, Государственный Политехнический музей (г.Москва)

В России промышленный МГД-генератор строился в Новомичуринске Рязанской области, где рядом с Рязанской ГРЭС была специально построена МГДЭС. Однако генератор так и не был запущен в эксплуатацию. С начала 1990-х годов работы были полностью свёрнуты, а МГД-электростанция, без МГД-генератора работающая как обычная тепловая электростанция, после нескольких преобразований в конце концов была присоединена к Рязанской ГРЭС.

Характеристики[править | править вики-текст]

Мощность[править | править вики-текст]

Мощность МГД-генератора пропорциональна проводимости рабочего тела, квадрату его скорости и квадрату напряжённости магнитного поля. Для газообразного рабочего тела в диапазоне температур 2000—3000 К проводимость пропорциональна температуре в 11—13-й степени и обратно пропорциональна корню квадратному из давления.

Скорость потока[править | править вики-текст]

Скорости потока в МГД-генераторе могут быть в широком диапазоне — от дозвуковых до сверхзвуковых.

Индукция магнитного поля[править | править вики-текст]

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.

Достоинства и недостатки[править | править вики-текст]

Достоинства:

  • отсутствие подвижных узлов и деталей (нет потерь на трение);
  • высокий КПД (65 %[уточнить]);
  • большие мощности (2 ГВт и более[уточнить]); увеличение мощности достигается путём увеличения объема установки и практически ничем не ограничено, так как с увеличением объёма роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнений, токов утечки) только уменьшается;
  • высокая маневренность;
  • снижение выброса вредных веществ, содержащихся в отработанных газах, с ростом КПД.

Недостатки:

  • высокие требования к материалам электродов и стенок рабочей камеры (выдерживание температур 2 000-3 000 К, устойчивость к химически активному и горячему ветру, имеющему скорость 1 000-2 000 м/с);
  • вредные выбросы (продукты сгорания и примеси (например, цезий)).

В сочетании с паросиловыми установками, МГД-генератор позволяет получить большие мощности в одном агрегате, до 500—1000 МВт.

Применение[править | править вики-текст]

Теоретически, существуют четыре направления промышленного применения МГД-генераторов:

  1. тепловые электростанции с МГД-генератором на продуктах сгорания топлива (открытый цикл); такие установки наиболее просты и имеют ближайшую перспективу промышленного применения;
  2. атомные электростанции с МГД-генератором на инертном газе, нагреваемом в ядерном реакторе (закрытый цикл); перспективность этого направления зависит от развития ядерных реакторов с температурой рабочего тела свыше 2000 K;
  3. термоядерные электростанции безнейтронного цикла (например, D + 3He → p + 4He + 18,353 МэВ) c МГД-генератором на высокотемпературной плазме;
  4. циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые перспективны для атомной энергетики и для специальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности.

Энергетические установки с МГД-генератором могут применяться также как резервные или аварийные источники энергии в энергосистемах, для бортовых систем питания космической техники, в качестве источников питания различных устройств, требующих больших мощностей на короткие промежутки времени (например, для питания электроподогревателей аэродинамических труб и т. п.).

Несмотря на заманчивые перспективы и бурное развитие исследований в области МГД-генераторов в 1970-е годы, устройства на их основе так и не нашли широкого промышленного применения вплоть до настоящего времени.

Интересные факты[править | править вики-текст]

В телевизионных учебных передачах по физике, выходящих в СССР в конце 80-х годов, сообщалось, что в Рязанской области запущен и работает промышленный МГД-генератор, что не соответствовало действительности: он так и не заработал (речь идет о Рязанской ГРЭС, установка разрабатывалась, но столкнувшись с определенными[уточнить] проблемами, создание МГД-генератора было приостановлено).

Литература[править | править вики-текст]

  1. Ашкинази Л. МГД-генератор // Квант, 1980, № 11, С. 2-8
  2. Рыжкин В. Электростанции газотурбинные, парогазовые, атомные и с МГД-генераторами //Тепловые электрические станции, 1975, глава 25
  3. Тамоян Г.С Учебное пособие по курсу «Специальные электрические машины» — МГД-машины и устройства.
  4. Каулинг Т. Магнитная гидродинамика. М.: Изд-во МИР, 1964. 80 с.
  5. Касьян А. Напряжение плазменного смерча или просто – о МГД–генераторе // Двигатель, 2005, № 6
  6. «Физика машин»
  7. «Живая наука»

См. также[править | править вики-текст]