Электрический ток вырабатывается мгд генератором потому что

Актуальность

Природа нам приготовила несметное количество электроэнергии. Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии [1]. Пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

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, например энергии в Мировом океане.

Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. Кроме этого, морская вода – природный электролит и содержит в 1 л несметное количество разных ионов, к примеру, положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора.

Заманчивой становится перспектива – поставить такое устройство в природный нескончаемый поток естественных морских течений и получать в результате недорогую электроэнергию из морской воды и передавать ее на берег. Одним из таких устройств может стать генератор, в котором используется магнитогидродинамический эффект. Это и стало темой исследования: “Энергетические возможности магнитогидродинамического эффекта”.

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: 1. Провести историко–логический анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации. 2. Выявить физические законы, принципы, которые объясняют, в чем заключается магнитогидродинамический эффект. 3.

Для наиболее эффективного решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: изучение источников информации, анализ, метод обобщений, эксперимент.

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.

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.

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.

Источник

Недостатки мгд–генераторов

* Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 – 2000 м/с * Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.

* Среда в МГД-генераторе с открытым циклом – химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом – хотя и химически неактивные инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий) * 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.

* При температуре газа ниже 2000° С в нем остается так мало свободных электронов, что для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло, поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а образовавшийся пар подается в паровую турбину.

Из этого списка видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Эти трудности решаются многими остроумными способами.

В целом 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 российским 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.

В настоящее время на Рязанской ГРЭС используется головной МГД–энергоблок 500 МВт, включающий МГД–генератор мощностью около 300 МВт и паротурбинную часть мощностью 315 МВт с турбиной К–300–240. При установленной мощности свыше 610 МВт выдача мощности МГД–энергоблока в систему составляет 500 МВт за счет значительного расхода энергии на собственные нужды в МГД–части.

Коэффициент полезного действия МГД–500 превышает 45 %, удельный расход условного топлива составит примерно 270 г/(кВт–ч). Головной МГД–энергоблок запроектирован на использование природного газа, в дальнейшем предполагается переход на твердое топливо.

Исследования и разработки МГД–генераторов широко развёрнуты в США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах. В США эксплуатируется опытная МГД–установка на угле тепловой мощностью 50 МВт. Все перечисленные МГД–генераторы используют плазму в качестве рабочего тела.

Хотя, на наш взгляд, можно использовать в качестве электролита и морскую воду. В качестве примера нами проделан эксперимент, демонстрирующий МГД–эффект. Для того, чтобы продемонстрировать энергетические возможности МГД–генератора изготовлена лодка на МГД приводе.

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.

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.

Практическая часть

Продемонстрировать МГД–эффект можно используя следующий набор материалов: 1. Магнит; 2. Соль; 3. Перец; 4. Батарейка; 5. Медные провода.

Ход работы:1. Делаем водный раствор соли и добавляем перец. Это необходимо для того, чтобы было видно движение потоков жидкости. 2. Ставим небольшой сосуд с приготовленным раствором на магнит. 3. Опускаем концы медной проволоки, присоединенные другими концами к полюсам батарейки, в приготовленный раствор (фото 1). 4. Наблюдаем движение потоков жидкости между концами медной проволоки.

Объяснение: Раствор соли является проводником электрического тока – электролит. Электролит будет двигаться в магнитном поле, под действием силы Лоренца. В этом и заключается МГД–эффект.

Используя явление МГД–эффекта, была изготовлена лодка на МГД–приводе [8]. Используемые материалы представлены на фото 2, готовая лодка на фото 3 и 4.

Лодка будет перемещаться за счет движения электролита в магнитном поле. Таким образом, можно сделать вывод о том, что МГД–электричество, несмотря на все трудности, придет на службу человеку и люди научатся использовать в полной мере энергию океана.

Преимущества мгд–генераторов

* Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку * В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение. * 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.

* При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах. * Большой успех в технической отработке использования МГД – генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом.

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.

Источник

Теоретическая часть

Магнитогидродинамический эффект [2] — возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля.

В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы или 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.

МГД–генератор – это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую. Еще в 1832 году Майкл Фарадей [3] 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.

Достаточно подробно о принципе работы МГД–генераторов рассказывается в одном из выпусков журнала “Двигатель” [4]. С одной стороны, МГД – генераторы имеют широкие возможности применения, с другой стороны, они не очень распространены. Попробуем разобраться в этом вопросе. Изучив соответствующую литературу [5, 6, 7], мы составили список преимуществ и недостатков МГД–генераторов.

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.

2650887 — магнитогидродинамический генератор —

Магнитогидродинамические генераторы

Принцип действия магнитогидродинамического генератора (МГД – генератора) заключается в том, что при движении ионизированного газа (низкотемпературной плазмы) через сильное магнитное поле в нем индуцируется электрический ток. Низкотемпературная плазма возникает при нагревании газа до температуры 2300 – 3000 К, когда от его молекул или атомов отрываются внешние электроны, вследствие чего газ ионизируется и становится проводником электрического тока.

Электроэнергия (постоянный ток) отбирается из плазмы керамическими электродами и выдается в цепь и далее в инверторы, где преобразуется в переменный ток, поступающий в сеть. Для увеличения электропроводности газа в него дополнительно вводят легкоионизируемые вещества – щелочные металлы: калий, натрий и др.

В МГД – генераторах отсутствуют громоздкие вращающиеся части, отпадает необходимость применения турбомашин для привода генератора.

МГД – генераторы разрабатываются двух типов: открытого цикла, в которых рабочим телом являются продукты сгорания органического топлива, и закрытого цикла, в которых непрерывный поток инертных газов (аргона, водорода) нагревается в теплообменниках продуктами сгорания.

На рис.3.7 представлена схема магнитогидродинамической установки. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1 и после предварительного нагрева в регенераторе 2 поступает в камеру сгорания 3. Туда же подается топливо и присадки. Нагретые до температуры2500 – 3000 К. продукты сгорания поступают в сопло 4, где расширяются, а затем в канал 5,где генерируют электрический ток, пересекая магнитное поле.

Рис. 3.7-Схема магнитогидродинамической установки

1 – компрессор; 2 – регенератор; 3 – камера сгорания; 4 – сопла; 5 – канал МГДГ; 6 – обмотка электромагнитов; 7 – блок питания магнитов; 8 – электроды; 9 – парогенератор; 10 – турбина; 11 – конденсатор; 12 – насос.

Отработанные газы с температурой до 2300 К. поступают в регенератор 2, где частично отдают тепло поступающему воздуху и далее направляются в парогенератор 9, где вырабатывают водяной пар. Охлажденные до температуры 1500 С отработанные газы выбрасываются в атмосферу.

МГД-генератор позволяет значительно повысить начальную температуру рабочего тела, и, следовательно, КПД электростанции.

МГД-генератор в комплексе с обычным турбогенератором в качестве второй ступени дает возможность повысить общий КПД такой энергетической установки до 50 – 60%.

Источник