Что такое магнитогидродинамический генератор

Что такое магнитогидродинамический генератор

Магнитогидродинамический 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.

Содержание

Происхождение названия

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

Особенности

Также как и в обычных машинных генераторах, принцип работы МГД-генератора основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. Но, в отличие от машинных генераторов, в МГД-генераторе проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперёк магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков.

Рабочим телом МГД-генератора могут служить следующие среды:

• Электролиты
• Жидкие металлы
• Плазма (ионизированный газ)

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 (см. Эффект Холла), которое объясняется смещением заряженных частиц между соударениями в сильном магнитном поле в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

Устройство

МГД-генератор состоит из канала, по которому движется рабочее тело (обычно плазма), системы электромагнитов для создания магнитного поля и электродов, отводящих полученную энергию.

Для создания электропроводности газа, его необходимо нагреть до температуры термической ионизации (около 10000 К). Для работы при меньших температурах газ обогащают парами щелочных металлов, что позволяет снизить температуру смеси до 2200—2700 К.

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.

Классификация

По источнику тепла

• Реактивные двигатели;
• Ядерные реакторы;
• Теплообменные устройства;

По рабочему телу

• Продукты сгорания ископаемых топлив
• Инертные газы с присадками щелочных металлов (или их солей);
• Пары щелочных металлов;
• Двухфазные смеси паров и жидких щелочных металлов;
• Жидкие металлы и электролиты.

По типу рабочего цикла

• МГД-генераторы с открытым циклом. В данном случае продукты сгорания являются рабочим телом, а использованные газы после удаления из них присадки щелочных металлов выбрасываются в атмосферу.
• МГД-генераторы с замкнутым циклом. Здесь тепловая энергия, полученная при сжигании топлива, передаётся в теплообменнике рабочему телу, которое затем, пройдя МГД-генератор, возвращается через компрессор, замыкая цикл.

По способу отвода электроэнергии

• Кондукционные. 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
• Индукционные. В индукционных МГД-генераторах электроды отсутствуют. Такие установки генерируют только переменный ток и требуют создания бегущего вдоль канала магнитного поля.

По форме канала

• Линейные — для кондукционных и индукционных генераторов;
• Дисковые и коаксиальные холловские — в кондукционных;
• Радиальные — в индукционных генераторах.

По системам соединений электродов

• Фарадеевский генератор со сплошными или секционированными электродами. Секционирование электродов в фарадеевском МГД-генераторе делается для того, чтобы уменьшить циркуляцию тока вдоль канала и через электроды (эффект Холла) и тем самым направить носители зарядов 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, в котором расположенные друг против друга электроды короткозамкнуты, а напряжение снимается вдоль канала за счёт наличия поля Холла. Применение наиболее выгодно при больших магнитных полях. За счёт наличия продольного электрического поля, можно получить значительное напряжение на выходе генератора.
• Сериесный генератор с диагональным соединением электродов.

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

Впервые, идея использования жидкого проводника была выдвинута ещё Майклом Фарадеем, в 1832 совершившим неудачную попытку применения её на практике. 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 МГД-преобразования энергии были выданы ещё в самом начале XX века, описанные в них конструкции были на практике нереализуемы.

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 3000 К 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 60-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. В 1971 году была пущена 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 3000 К. Установка имела два контура: первичный, разомкнутый, в котором преобразование тепла продуктов сгорания в электрическую энергию происходит в МГД-генераторе, и 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.

Характеристики

Мощность

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

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

Индукция магнитного поля

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

Основное преимущество МГД-генератора — отсутствие в нём движущихся узлов или деталей, непосредственно участвующих в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Это позволяет существенно увеличить начальную температуру рабочего тела и, следовательно, КПД электростанции.

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

Применение

Теоретически, существуют три 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 + 3 He → p + 4 He + 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, устройства на их основе так и не нашли широкого промышленного применения вплоть до настоящего времени.

Что такое МГД генератор

Альтернативных источников энергии на планете Земля огромное количество. Просто человечество еще не научилось эту энергию получать дешевыми способами, хотя многие из них уже используются. Практически все виды альтернативной энергии в теории разработаны и получены в лабораторных условиях. Одним из таких видов является энергия, получаемая от электролита, расположенного в магнитном поле. Такой эффект называется магнитогидродинамический, а установка, в которой эту энергию получают, МГД генератор. Ученым этот эффект известен давно. Стоит напомнить, что еще Фарадей в 1832 году пытался в лабораторных условиях найти электромагнитную движущуюся силу. Для этого он использовал воду из реки Темза. Давайте рассмотрим обе позиции (эффект и генератор) более подробно.

Магнитогидродинамический эффект

По сути, это возникновение электрического поля, а соответственно и электрического тока в электролите, который собой может представлять ионизированную воду, газ (это плазма) или жидкий металл. Получается так что сам эффект основан на принципе электромагнитной индукции, в основе которой лежит способ получения электричества внутри проводника, расположенного в магнитном поле. То есть, проводник должны пересекать силовые линии поля.

В этом случае внутри проводника возникают потоки ионов, заряды которых противоположны зарядам движущихся частиц внутри магнитного поля. При этом силовые линии магнитного поля движутся в противоположную сторону ионизированных зарядов внутри проводника.

Магнитогидродинамический генератор

МГД генератор – это установка преобразования тепловой энергии в электрическую, в основе которой лежит магнитогидродинамический эффект. На генераторы возлагались большие надежды, ученые в конце двадцатого столетия пытались разработать эффективные МГД генераторы промышленного исполнения, даже были построены экспериментальные образцы. Но все по непонятным причинам остановилось, видно прекратилось финансирование проектов.

Необходимо отдать должное ученым, которые не бросили начинания. Во всяком случае, теоретическая часть доведена до максимальной точности.

Достоинства и недостатки

Итак, каковы преимущества МГД генераторов:

• Это огромная мощность при небольших размерах установки (доходит до нескольких мегаватт).
• Полное отсутствие вращающихся деталей, а, значит, нет потерь на трение.
• МГД генератор – объемная установка. Почему? Во-первых, объемные процессы, которые протекают в генераторе, уменьшают наличие нежелательных процессов поверхностного типа, к примеру, снижено загрязнение, минимум токов утечек и так далее. Во-вторых, больше объем – больше мощность машины.
• Из предыдущего следует, что чем больше МГД генератор, тем выше коэффициент полезного действия, тем меньше вредных выбросов из установки.
• В свое время был достигнут достаточно серьезный показатель экономии и эффективности, когда магнитогидродинамический агрегат соединили с котельной. Эффект оказался тройным. После сжигания газа или другого энергоносителя в топке котла, отработанные газы (они ионизированные) поступали в генератор, который вырабатывал электрический ток, далее газы поступали на парогенератор ТЭЦ, дополнительно нагревая воду или пар для отопления. Необходимо отметить, что в те времена коэффициент полезного действия такой комбинации составлял 65%, и это по сравнению с традиционным КПД старых котельных 50%.
• И, конечно, магнитогидродинамические генераторы являются установками передвижными. А это, как показывает жизнь, иногда очень важно.

Теперь о недостатках:

• В первую очередь необходимо отметить, что установка МГД генератора должна изготавливаться из дорогих жаропрочных сплавов. Потому что температура внутри генератора очень высокая, а скорость движения внутри него горячих газов составляет 2000 м/с.
• МГД генератор может вырабатывать только постоянный ток, поэтому к нему придется добавлять эффективный инвертор.
• Существует два вида генераторов: с открытым циклом и открытым. В обоих из них протекают процессы с химически активными веществами.
• Электроды, которые и вырабатывают электрический ток внутри МГД генератора, расположен в так называемом МГД канале. Так вот в канале всегда присутствует температура, определяемая тысячами градусов. Поэтому электроды быстро выходят из строя.
• Всем известно, что мощность установки прямопропорциональна квадрату индукции магнитного поля. Поэтому для промышленных образцов требуются очень большие магнитные системы. Они в несколько тысяч раз мощнее, чем лабораторные образцы.
• Если температура газа, проходящего через МГД генератор, падает ниже +2000С, то в нем практически не остается свободных электронов. Поэтому такой газ использовать для получения электрического тока нет смысла.
• По непонятным причинам в основном разрабатывались МГД генераторы, работающие на плазме (ионизированном газе). А вот использование морской воды не применялось, хотя именно морская вода и является отличным электролитом. В ней заключено огромное количество энергии, которую можно было бы использовать. Видно пока не нашлись те технологии, которые смогли бы эту энергию получить через МГД генератор.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что проблем с устройством и использованием МГД генераторов много. И их придется еще преодолевать. Правда, некоторые позиции умельцам удается обходить, используя всевозможные хитроумные идеи. Но это опять-таки на уровне опытных образцов.

Как сделать МГД-генератор своими руками

Давайте рассмотрим вопрос, можно ли сделать МГД генератор своими руками? В принципе, ничего сложного нет, ведь теоретически схема и технология работы установки известна. Вот самый простой МГД генератор.

Для его изготовления потребуется плексигласовый брусок прямоугольного сечения вот с такими размерами: 120х26х18 миллиметров. В бруске необходимо сделать сквозное отверстие диаметром 12 мм. Внутрь отверстия устанавливаются две пластинки или из меди, или из латуни. Обратите внимание, что сечение полосок должно быть сегментным. Они соединяются клеммами.

С двух сторон к бруску необходимо подсоединить ниппели из алюминия. К ним будут присоединяться резиновые шланги. По граням бруска приклеиваются цилиндры из плексигласа, на которые будут надеты магниты диаметром 20 мм. Все, вот такая нехитрая конструкция. Этот МГД генератор позволяет проводить забавные опыты с магнитной индукцией и электродвижущей силой. Все будет зависеть от числа прикрепленных магнитов, уменьшая или увеличивая их, можно изменять скорость движения ионов, изменять заряды, количество и так далее.

Как МГД генератор землетрясения предсказывал

На сайте Qbik.club уже не однократно были публикации о тех или иных грандиозных проектах СССР типа «Проект «Скиф»», «Система «Периметр»» и другие не менее впечатляющие проекты советского прошлого. И сегодня, продолжении темы, хотелось бы рассказать том, как импульсные МГД-генераторы были использованы для геофизических работ. Возможно, на первый взгляд, тема не столь впечатляющая, как восстание ракет в автоматическом режиме, но поверьте мне, тут тоже есть чем впечатлиться!

Что это такое и зачем нужно?

И так, для начала стоит понять, что это за история и с чего она начиналась. На самом деле всё довольно просто. В семидесятые годы началась разведка глубинных недр земли. Тут же относительно недалеко (50-60 Км по прямой) два года назад началось бурение Кольской сверхглубокой.

И итоговая идея оказалась простой. Попробовать пропустить через Землю электрический ток и и замерить сопротивление на различных глубинах. Таким образом, зная сопротивление различных пород можно понять, что скрывается в недрах Земли.

Проблема состояла лишь в том, что нужно просто огромное количество электричества, чтоб пропустить его через Землю. Тут на помощь как раз и пришёл МГД-генератор. Т.к. он может вырабатывать большие мощности, при этом не требуя усложнения конструкции. К тому же тут увеличение мощности достигается путём увеличения объёма установки и практически ничем не ограничено, так как с увеличением объёма роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнений, токов утечки) только уменьшается.

Рассказывать подробно о том, что такое МГД-генератор я не буду, в рамках сегодняшней публикации нам будет достаточно понимания того, что это так же генератор электрического тока. Разница тут лишь в том, что в обычном генераторе электрический ток вырабатывается путём вращения катушки в магнитном поле, а тут механическая энергия движущейся среды превращается в электрическую энергию. Более подробно о принципе работы можно узнать на странице Википедии.

Местом проведения испытания был выбран перешеек между полуостровами кольский и средний. К слову говоря, само место проведения эксперимента так же было выбрано не случайно. Главная особенность эксперимента заключалась в использовании акватории вокруг полуостровов в качестве естественного токового контура. Идея проведения мгд-эксперимента «Хибины» оказалась тем более привлекательной, что источник излучения был установлен недалеко от места бурения кольской сверхглубокой скважины.

В конце вводной части мне остаётся лишь заметить, что в рамках вводной части я более подробно останавился на теме эксперимента «Хибины». Но это не значит, что это был единственный эксперимент. На самом деле таких экспериментов было довольно много и не все они предназначались лишь для разведки строения земной коры. На просторах интернета мне удалось найти такую таблицу использования МГД-установок в геофизике:

Ход эксперимента

Как вы уже могли заметить, каждый из этих экспериментов имел немного разные цели. К сожалению подробную информацию о них собрать довольно сложно. Единственную более менее интересную информацию мне удалось найти в книге «Атомная энергия». Том 44, вып. 3. Если Вам интересны все технические подробности — найти их можете тут, а я предлагаю небольшую выдержку из этой книги.

Геофизические МГД-установки предназначены для исследований глубинных процессов в очагах готовящихся землетрясений и разработки на этой основе эффективных методов прогноза землетрясений («Памир-1»), для глубинного электромагнитного зондирования всей толщи земной коры с помощью магнитного излучающего диполя («Урал») и для крупномасштабного зондирования больших территорий (до 500 тыс. км) с использованием в качестве контура тока береговой линии полуостровов Рыбачий и Средний в Баренцевом море («Хибявы»).

МГД-установка «Памир-1»

Геофизизические эксперименты с МГД-установкой «Памир-1». В 1973—1977 гг. в Гармском районе Таджикской ССР (совместно с Институтом физики Земли им. 0. Ю. Шмидта АН СССР) была проведена серия периодических экспериментов (2 раза в месяц) по определению эффективного «кажущегося» сопротивления земных пород на глубине 10—20 км, т. е. как раз там, где наиболее вероятны очаги землетрясений в этом районе Памира. Ранее в СССР и других странах было обнаружено, что в период подготовки землетрясения кажущееся сопротивление Уменьшается, а после землетрясения восстанавливается. Предыдущие эксперименты проводились со стандартной генераторной группой ЭРС-60, имеющей генератор мощностью до 30 кВт, При этом глубина исследуемых пород составляла только 2—3 км, очаги землетрясений, как правило, располагались ниже.

Для работ по программе прогноза землетрясевий была создана геофизическая МГД-установка «Памир-1», обеспечивающая электрический дипольный момент (3—5)*10 6 А-м, что позволило измерять зондирующие сигналы при разносах, превышающих 40 км. Установка состоит из двух МГД-каналов, расположенных между тремя катушками безжелезной магнитной системы, включенными последовательно. Нагрузка — электрический диполь длиной 3 км (сопротивление 1,7—2,0 Ом) — включена параллельно каналам. В качестве системы начального возбуждения использована батарея конденсаторов. Наблюдения показали, что с применением МГД-генератора значительно (в несколько раз) увеличилась чувствительность метода прогноза и удалось провести зондирование в большом районе.

В результате исследования было выяснено, что в период подготовки сильных землетрясений можно проследить уменьшение кажущегося сопротивления, оно начинается задолго до момента катастрофы, и чем ближе приемная станция к мосту будущего эпицентра, тем раньше она начинает «чувствовать» происходящие изменения. Так, на станциях 3, 4 и 6, близко расположенных к будущим эпицентрам, заметные изменения начали наблюдать за 2,5-1,5 мес до аемлетряовния. После землетрясения кажущееся сопротивление восстанавливается частично или полностью, на этот процесс может накладываться процесс подготовки нового землетрясения и т. д. Важно отметить, что с использованием МГД-генератора получено резкое увеличение амплитуды наблюдаемых вариаций, что связано с захватом глубоких слоев земной коры, где располагаются очаги будущих землетрясений.

Тем самым созданы основы нового чувствительного метода прогноза сильных землетрясений, позволяющего с помощью одной энергетической установки контролировать одновременно большие районы площадью до 10 тыс. км. Для эффективного контроля, например, наиболее опасных районов Средней Азии потребуется примерно 20—30 МГД-установок.

МГД-установка «Хибины»

Геофизический эксперимент с МГД-установкой «Хибины» проводился совместно с Геологическим институтом Кольского филиала АН СССР и имел цель изучить связи структуры электромагнитных полей с глубинным строением Кольского п-ва. Был использован уникальвый природный контур, образуемый токами, обтекающими береговую линию п-вов Средний и Рыбачий по морской воде. Как показали измерения, эквивалентный магнитный момент такого контура составил 104 А-ма, что означает, что в генерации зондирующего поля принимают участие токи в море, охватывающие площадь примерно 5 тыс. км.

МГД-установка «Хибины» (рис. 5) представляет собою две спаренные установки «Урал» с пороховыми генераторами плазмы, обеспечивающими длительность горения 7—9 с. На стадии самовозбуждения обе установки включаются последовательно, а после достижения током в магните заданного значения (40 кА) один из МГД-каналов отключается от магнитной системы и работает в режиме внешнего возбуждения в поле магнита, питаемого током другого канала.

Проведённое исследование показало, что изолинии полей не эквидистантны, они образуют сложную структуру, которая, повидимому, отражает особенности геоэлектрического строения Кольского п-ва в большом масштабе усреднения. Так, изолинии электрического поля явно сгущаются в районе Печентской синклинали, где сосредоточены запасы электропроводящих медно-никелевых руд. Наблюдается явное разрежение линий южнее этой структуры, где расположены древние породы.

Уже эти качественные результаты свидетельствуют, что развиваемые мощностные методы электромагнитных зондирований могут привести к созданию нового направления крупномасштабного поиска электронно-проводящих структур одновременно в большом районе.

В конце остаётлся лишь заметить, что одной из последних и самых мощных установок являлась МГД-установка «Сахалин». Она состояла из унифицированных узлов и блоков двух серий установок «Памир» и «Урал». Её электрическая мощность 510 МВт, что делает данную установку самай крупной в мире МГД-установкой. Её характеристики:

Магнитогидродинамический генератор: устройство, принцип работы и назначение

Далеко не все альтернативные источники энергии на планете Земля до сих пор были изучены и успешно применены. Тем не менее человечество активно развивается в данном направлении и находит все новые варианты. Одним из них стало получение энергии из электролита, который находится в магнитном поле.

Заложенный эффект и происхождение названия

Первые труды на этом поприще приписываются еще Фарадею, работавшему в лабораторных условиях еще в 1832 году. Он исследовал так называемый магнитогидродинамический эффект, а точнее, искал электромагнитную движущую силу и пытался ее успешно применить. В качестве источника энергии использовалось течение реки Темза. Вместе с названием эффекта свое наименования получила и установка — магнитогидродинамический генератор.

В данном МГД-устройстве происходит прямое преобразование одного вида энергии в другой, а именно механической в электрическую. Особенности такого процесса и описание принципа его действия в целом подробно описываются в магнитной гидродинамике. В честь данной дисциплины и был назван сам генератор.

Описание действия эффекта

В первую очередь следует понять то, что происходит во время функционирования устройства. Только так можно осознать принцип работы магнитогидродинамического генератора в действии. Эффект построен на возникновении электрического поля и, конечно же, электрического тока в электролите. Последний представляется различными средами, к примеру, жидким металлом, плазмой (газом) или водой. Из этого можно заключить, что в основе принципа действия лежит электромагнитная индукция, использующая магнитное поле для выработки электричества.

Получается так, что проводник должен пересекаться с силовыми линиями поля. Это является, в свою очередь, обязательным условием для того, чтобы потоки ионов с противоположными относительно движущихся частиц зарядами начали возникать внутри устройства. Также важно отметить поведение силовых линий. Построенное из них магнитное поле движется внутри самого проводника в противоположную сторону от той, где находятся заряды ионов.

Определение и история МГД-генератора

Установка представляет из себя устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую. В ней полностью применяется вышеописанный эффект. При этом магнитогидродинамические генераторы в свое время считались достаточно новаторской и прорывной идеей, построение первых образцов которых занимало умы ведущих ученых двадцатого века. Вскоре финансирование таких проектов исчерпало себя по не совсем понятным причинам. Уже были возведены первые экспериментальные установки, однако на их использовании был поставлен крест.

Самые первые конструкции магнитодинамических генераторов описывались еще в 1907-910 годах, тем не менее они не могли быть созданы в силу ряда противоречащих физических и архитектурных особенностей. В качестве примера можно привести то, что еще не были созданы материалы, которые могли бы нормально функционировать при рабочих температурах в 2500-3000 градусов по Цельсию в газовой среде. Российская модель должна была появиться в специально построенном МГДЭС в городе Новомичуринске, который расположен в Рязанской области в непосредственной близости от ГРЭС. Проект был свернут в начале 1990-х годов.

Как работает устройство

Конструкция и принцип действия магнитогидродинамических генераторов по большей части повторяют таковые у обыкновенных машинных вариантов. В основе находится эффект электромагнитной индукции, а значит, возникает ток в проводнике. Это происходит за счет того, что последний пересекает силовые линии магнитного поля внутри устройства. Однако существует и одно отличие между машинными и МГД-генераторами. Оно заключается в том, что для магнитогидродинамических вариантов в качестве проводника используется непосредственно само рабочее тело.

В основе действия также находятся заряженные частицы, на которые действует сила Лоренца. Движение рабочего тела происходит поперек магнитного поля. Благодаря этому возникают потоки носителей зарядов с ровно противоположными направлениями. На этапе становления в МГД-генераторах применялись преимущественно электропроводные жидкости или электролиты. Именно они и являлись тем самым рабочим телом. Современные вариации перешли на плазму. Носителя зарядов для новых машин стали положительные ионы и свободные электроны.

Конструкция МГД-генераторов

Первый узел устройства называется каналом, по которому движется рабочее тело. В настоящее время в магнитогидродинамических генераторах в качестве основной среды применяется по большей части плазма. Следующий узел представляет из себя систему магнитов, которые отвечают за создание магнитного поля и электродов для отведения той энергии, которая будет получена в ходе рабочего процесса. При этом источники могут быть различными. В системе можно применять как электромагниты, так и постоянные магниты.

Далее газ проводит электрический ток и нагревается до температуры термической ионизации, которая составляет приблизительно 10 тысяч Кельвинов. После данный показатель непременно нужно снизить. Планка температуры падает до 2,2-2,7 тысячи Кельвинов за счет того, что в рабочую среду добавляются специальные присадки со щелочными металлами. В ином случае плазма не является в достаточной степени эффективной, потому как величина ее электропроводности становится значительно меньшей, чем у той же воды.

Типичный цикл работы устройства

Другие узлы, составляющие конструкцию магнитогидродинамического генератора, лучше всего перечислить вместе с описанием функциональных процессов в той последовательности, в которой они происходят.

1. Камера сгорания принимает загружаемое в нее топливо. Также добавляются окислители и различные присадки.
2. Топливо начинает гореть, что позволяет образоваться газу в качестве продукта сгорания.
3. Далее задействуется сопло генератора. Через него газы проходят, после чего они расширяются, а их скорость возрастает до скорости звука.
4. Действие доходит до камеры, пропускающей через себя магнитное поле. На ее стенках находятся специальные электроды. Именно сюда поступают газы на данном этапе цикла.
5. Затем рабочее тело под влиянием заряженных частиц отклоняется от своей первичной траектории. Новое направление находится в точности там, где располагаются электроды.
6. Завершающий этап. Происходит образование электрического тока между электродами. На это цикл заканчивается.

Основные классификации

Существует множество вариантов исполнения готового устройства, однако принцип работы будет фактически одинаковым в любом из них. К примеру, возможен запуск магнитогидродинамического генератора на твердом топливе вроде продуктов сгорания ископаемых. Также в качестве источника энергии применяются пары щелочных металлов и их двухфазные смеси с жидкими металлами. По продолжительности работы МГД-генераторы делятся на длительные и кратковременные, а последние — на импульсные и взрывные. Из источников тепла можно назвать ядерные реакторы, теплообменные устройства и реактивные двигатели.

Кроме того, есть также классификация по типу рабочего цикла. Здесь подразделение происходит лишь на два основных типа. Генераторы с открытым циклом имеют рабочее тело, смешанное с присадками. Продукты сгорания идут через рабочую камеру, где они в процессе очищаются от примесей и выбрасываются в атмосферу. В замкнутом цикле рабочее тело попадает в теплообменник и лишь после этого поступает в камеру генератора. Далее продукты сгорания ждет компрессор, который и заканчивает цикл. После этого рабочее тело возвращается на первый этап в теплообменник.

Главные характеристики

Если вопрос о том, что вырабатывает магнитогидродинамический генератор можно считать в полной мере освещенным, то следует представить основные технические параметры подобных устройств. Первым из них по значимости, вероятно, идет мощность. Она пропорциональна проводимости рабочего тела, а также квадратам напряженности магнитного поля и его скорости. Если рабочее тело представляет из себя плазму с температурой около 2-3 тысяч Кельвинов, то проводимость пропорциональна ей в 11-13 степени и обратно пропорциональна квадратному корню из давления.

Также следует привести данные о скорости потока и индукции магнитного поля. Первая из этих характеристик варьируется в довольно больших пределах, начиная от дозвуковых скоростей и заканчивая гиперзвуковыми вплоть до 1900 метров в секунду. Что же касается индукции магнитного поля, то она зависит от конструкции магнитов. Если они сделаны из стали, то верхняя планка установится на отметке в 2 Тл. Для системы, которая состоит из сверхпроводящих магнитов, это значение вырастает до 6-8 Тл.

Применение МГД-генераторов

Широкого использования таких устройств сегодня наблюдать не приходится. Тем не менее теоретически существует возможность строить электростанции с магнитогидродинамическими генераторами. Всего есть три допустимых вариации:

1. Термоядерные электростанции. В них применяется безнейтронный цикл с МГД-генератором. В качестве топлива принято использовать плазму на высоких температурах.
2. Тепловые электростанции. Используется открытый тип цикла, а сами установки по конструктивным особенностям являются достаточно простыми. Именно этот вариант все еще имеет перспективы к развитию.
3. Атомные электростанции. Рабочее тело в данном случае — инертный газ. Он нагревается в ядерном реакторе по закрытому циклу. Также имеет перспективы к развитию. Однако возможность применения зависит от появления ядерных реакторов с температурой рабочего тела выше 2 тысяч Кельвинов.

Перспективность устройств

Актуальность магнитогидродинамических генераторов зависит от целого ряда факторов и нерешенных до сих пор проблем. В качестве примера можно привести способность таких устройств к выработке только постоянного тока, а значит для их обслуживания необходимо конструировать достаточно мощные и притом экономичные инверторы.

Другой видимой проблемой является отсутствие необходимых материалов, которые могли бы проработать достаточно длительное время в условиях разогрева топлива до запредельных температур. То же самое касается и электродов, применяемых в таких генераторах.

Другие варианты применения

Помимо функционирования в основе электростанций, данные устройства способны работать в специальных энергетических установках, что было бы весьма полезно для атомной энергетики. Применение магнитогидродинамического генератора допускается и в гиперзвуковых авиационных системах, однако каких-либо продвижений в данной области пока что наблюдать не приходится.

Что такое магнитогидродинамический генератор

НАПРЯЖЕНИЕ ПЛАЗМЕННОГО СМЕРЧА ИЛИ ПРОСТО — ОБ МГД-ГЕНЕРАТОРЕ
Андрей Касьян

В 1831 г. в Америке великим Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции. Оно легло в основу всей современной электротехники и электроники! Но, что же такое индукция?

Если говорить очень кратко, то электромагнитная индукция — это явление, связанное с возникновением в проводнике электродвижущей силы под действием поля. Именно электродвижущая сила обуславливает возникновение электрического тока.

Для того, чтобы понять происходящие процессы, необходимо поближе познакомиться с электрическим и магнитным полями. Можно кратко сказать, что в микромире существуют только поля и частицы. Правда, и поля, и частицы бывают разные, и существуют они различным способом. Хорошо известно, что электрическое поле напрямую связано с электрическим зарядом. С одной стороны, электрическое поле порождается зарядами, с другой — само оказывает действие на заряд. Существует и магнитное поле, которое так же, как и электрическое, создается электрическими зарядами и тоже действует на них. Магнитное поле образует с электрическим единое целое — электромагнитное поле (родители у них одни — заряды). Электромагнитное поле очень интересный объект: оно может распространяться в виде волны. Впрочем, в нерушимом единстве электрического и магнитного полей имеются и диалектические различия.

Для нас важно отметить следующее: если заряженная частица попадает в электрическое поле, то она подобно лодке подхватывается полем и несется (точнее сказать — испытывает ускорение) вдоль направления его действия — по так называемым силовым линиям. Законы природы в том и проявляются, что свободная заряженная частица обязательно движется вдоль силовых линий. Это означает, что электрическое поле может порождать ток в проводящей среде. Ясно, что если мы поместим проводник вдоль силовых линий поля, то по нему потечет ток.

Совсем по-другому ведет себя магнитное поле. Для примера предположим, что магнитное поле действует в каком-нибудь определенном направлении. Пусть оно перпендикулярно плоскости этой журнальной страницы и его силовые линии «прокалывают» страницу. Не имеет принципиального значения, куда фактически направлено поле: на нас или от нас (обычно считают, что магнитное поле направлено с «севера» — N на «юг»- S, но и эти понятия относительны, как «правое» и «левое» — как встанешь). Предположим также, что заряженная частица (неважно, какого знака) влетает в это поле в плоскости страницы и движется вдоль нее. Казалось бы, что магнитное поле должно притянуть частицу по направлению к нам, либо оттолкнуть (в направлении действия силовых линий). Но магнитное поле ведет себя по-другому. Оно будет отклонять частицу в плоскости страницы, не приближая и не отдаляя ее от нас, а как бы закручивая, навивая ее траекторию на силовые линии. Немножко изменим ситуацию. Не частица, а проволочка подобным же образом движется параллельно вдоль страницы. В металле имеются свободные заряды (электроны), которые вынуждены двигаться вместе с проволочкой. Магнитное поле, проникает внутрь проволочки и действует на них аналогично. Оно будет отклонять частицы «вбок», заставляя их «вальсировать». Но электроны не имеют достаточно энергии, чтобы вылететь из проволочки. Поэтому они вынуждены перемещаться в ту или другую сторону к одному из концов проволочки. Именно по этой причине по проволочке потечет ток. Например, справа налево, куда закружило поле. Вот это и есть явление индукции, и на нем основан принцип преобразования механической энергии в электрическую путем перемещения (вращения) проводника в магнитном поле. Чем быстрее мы будем перемещать проволочку, тем больше будет сила тока.

Интересно, что Фарадей давным-давно показал, что для выработки электроэнергии не обязательно использовать металлический проводник, и его агрегатное состояние не имеет принципиального значения. Оставим все без изменения, но пусть теперь вдоль страницы движется некая среда или рабочее тело, содержащее заряды. Магнитное поле будет действовать на заряды вышеописанным образом. Поскольку мы считаем заряды в среде свободными, они начинают двигаться так, как это было описано для проволочки. Если по направлению их движения поместить электроды, то заряды будут попадать на них, и в движущейся среде потечет ток, направленный перпендикулярно вектору скорости и вектору напряженности магнитного поля.
Вот мы, наконец, и подошли к МГД-методу преобразования энергии. В МГД-генераторе (а точнее — в его каналах) движется электропроводящая среда, содержащая свободные заряды (почему и принята эта аббревиатура МГД — «магнитогидродинамический»). Она выполняет ту же функцию, что и вращающийся якорь обычного генератора. В простейшем линейном МГД-генераторе на параллельных магнитному полю стенках канала возникает электродвижущая сила, т.е. образуется разность потенциалов. Заряды, двигаясь вместе со средой, отклоняются и попадают на стенки, накапливаясь там. Итак, проволочкой или проводником является, по сути, движущееся рабочее тело (плазма, электролиты, жидкие металлы), в котором возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов, так как положительные заряды отклоняются в одну сторону, а отрицательные — в другую.

Мы видим, что МГД-генератор совмещает в себе функции сразу двух устройств, входящих в состав обычной электростанции: паровой турбины и электрогенератора. Паровая турбина вращает якорь электрогенератора, а электрогенератор вырабатывает ток. В случае с МГД-генератором вращение «якоря» не требуется, и энергия электропроводящей среды преобразуется непосредственно в электрическую. Отсутствие вращающихся деталей повышает надежность системы. Надо также сказать, что рассматриваемые генераторы являются объемными машинами — в них протекают объемные процессы. С увеличением объема уменьшается роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема, а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.

Рассматриваемый метод имеет преимущества и по экологической составляющей. При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.
Рабочее тело может представлять собой электролит, жидкий металл, или ионизированный газ — плазму. Если мы, например, увеличиваем скорость потока, разгоняем плазму, то из камеры сгорания ее надо подавать в сопло, где благодаря преобразованию тепловой энергии в кинетическую при расширении температура уменьшится. Подводя итог можно сделать вывод, что процесс образования высокотемпературной электропроводящей среды довольно сложен и на этом пути предстоит еще много сделать.

Как было сказано выше, рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов — общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны. Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.

Трудности, о которых мы рассказали, решаются многими остроумными способами, но опасность выхода мощных магнитов из-под контроля всегда остается.

Этап концептуальных поисков в области МГД-генераторов в основном пройден. Еще в шестидесятых годах прошлого века были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инженерный опыт позволили отечественным ученым в 1965 г. ввести в действие комплексную модельную энергетическую установку «У-02», работавшую на природном топливе. Несколько позднее было начато проектирование опытно-промышленной МГД-установки «У-25», которое проводилось одновременно с исследовательскими работами на «У-02». Успешный пуск этой первой опытно-промышленной энергетической установки, имевшей расчетную мощность 25 МВт, состоялся в 1971 г.

…Мы сами очень долго не верили, что дождемся, когда это произойдет, но МГД-электричество, несмотря на все трудности, приходит на службу человеку. Увы, нефть кончится на глазах у ныне живущих обитателей планеты Земля .

МГД-генератор. Магнитогидродинамические генераторы.

Магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы)

Больше других разработан метод магнитогидродинамического превращения теплоты в электрическую энергию, который можно использовать в крупной стационарной энергетике. В принципе этот метод основан на известном явлении, заключающемся в том, что при пересечении проводником магнитных силовых линий в нем наводится электродвижущая сила. Сильно ионизированный газ при достаточно большой электропроводности его и высокой температуре обладает таким же свойством, которое и используется в магнитогидродинамическом (МГД) методе превращения теплоты в электрическую энергию.

Рис. 1. Сравнение турбогенератора и МГД-генератора

— В турбогенераторе внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию пропеллера (ротора), а затем кинетическая энергия движущегося твердого проводника — в электрическую энергию

— В МГД генераторе движущейся газ сам является проводником. В результате внутренняя энергия электропроводного газа преобразуется в электрическую энергию.

— Движение проводников поперек магнитного поля приводит в обоих случаях к возникновению ЭДС и тока в соответствии с законом индукции Фарадея

Рис. 2. Принцип действия МГД-генератора: 1 обмотка электромагнита; 2 — камера сгорания; 3 присадка; 4 — воздух; 5 — топливо; 6 — сопло; 7 — электроды с последовательно включенной нагрузкой; 8 — выход продуктов сгорания.

В качестве рабочего тела в МГД-генераторе могут быть использованы, например, продукты сгорания топлива. Но поскольку они и при высоких температурах не обладают достаточной электрической проводимостью, ее приходится увеличивать или, другими словами, повышать степень ионизации газов присадкой к ним небольшого количества (

1%) щелочных металлов (калия, цезия и др.). Наилучшие результаты можно получить при применении плазмы, являющейся нейтральной смесью ионов, электронов и нейтральных частиц (квазинейтральной средой) при очень высоких температурах.

На принципиальной схеме МГД-генератора (рис. 3) топливо -горючий газ (но может быть и любое другое) подается под давлением по газопроводу в топочную камеру 1, работающую под давлением.

Рис. 3. Принципиальная схема МГД-генератора

Одновременно в топочную камеру подается присадка (цезий) для повышения степени ионизации продуктов сгорания. Ионизацию газа можно обеспечить и при помощи внешнего высокочастотного источника мощности. Но в этом случае энергия, расходуемая на высокочастотный источник, снижает общий КПД установки. Нужный для сгорания топлива воздух поступает в установку 12, где в нем повышают содержание кислорода. Обогащенный воздух проходит в компрессор 11 и направляется в воздухоподогреватель 6, из которого по воздухопроводу 5 поступает в топочную камеру 1. Рост в воздухе содержания кислорода и его нагрев до высокой температуры перед топочной камерой повышают температуру продуктов сгорания, покидающих камеру 1.

Высокотемпературные ионизированные продукты сгорания движутся с большой скоростью по каналу 4. В поперечном направлении к движению газов электромагнитом 3 создается мощное магнитное поле. При пересечении ионизированными газами магнитного поля в них возникает электродвижущая сила, а на электродах 2 — соответствующая разность электрических потенциалов. Часть электрической энергии расходуется электромагнитом на возбуждение магнитного поля, а другая часть ее, полученная в МГД-генераторе, поступает в преобразователь 10 постоянного тока на переменный. Температура газов после МГД-генератора очень высока (более 2000 °С), поэтому их теплоту целесообразно использовать в обычной теплосиловой установке, как это показано на рис. 3.

Продукты сгорания после МГД-генератора и частичного охлаждения в воздухоподогревателе 6 направляются в котельный агрегат, состоящий из экономайзерно-испарительной поверхности нагрева 5 и пароперегревателя 7, а затем охлажденные продукты сгорания удаляют в атмосферу через дымовую трубу 9.

Перегретый пар после котельного агрегата 7-8 направляется в паровую турбину 13, после расширения в которой поступает в охлаждаемый водой конденсатор 14. Конденсат из конденсатора 14 насосом 15 снова закачивается в котельный агрегат. Турбина 13 приводит в действие компрессор, служащий для сжатия до необходимого давления обогащенного воздуха, и электрический генератор 16 переменного тока, работающий параллельно с преобразователем 10, и суммарная электрическая энергия, вырабатываемая МГД-генератором и нормальным электрическим генератором, направляется к ее потребителям.

Эффективность МГД-генератора зависит от интенсивности магнитного поля, создаваемого электромагнитом. Стоимость электромагнита высока и он расходует большое количество электрической энергии.

Присутствие в горячих продуктах сгорания топлива активных присадок (цезия) вызывает коррозию электродов и обмуровки газоходов и нужны коррозионностойкие материалы для МГД-генераторов. Совместная установка МГД-генератора и нормальной теплоэнергетической установки (рис. 4) повысит суммарный коэффициент использования теплоты топлива минимум на 10%.

Рис. 4. Схема энергетической установки с МГД-генератором

Рис. 5. Процессы, происходящие при работе МГД-генератора

Рис. 6. Фото МГД-генератора «Хибины» на Кольском полуострове

Рис. 7. Устройство МГД-генератора

Рис. 8. Изменение мощности МГД-генератора (по зарубежным данным)

Источник: nevinka-info.ru