Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные перспективы применения МГД-генераторов

Торгов М.А., Суворов Д.В., Донцова Н. А.

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет Нижний Новгород, Россия

Природа нам приготовила несметное количество электроэнергии. Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии. 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 позволяет использовать несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. 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 принцип. Это и стало моей темой исследования: «Современные перспективы применения МГД-генераторов».

1 Анализ сферы на сегодня

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.

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 мой взгляд, можно использовать в качестве электролита и морскую воду.

2 Исследовательская часть

МГД-генератор - это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую. 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. магнитогидродинамический генератор энергетический электрический

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

3 Принцип действия

Принцип работы МГД-генератора, как и обычного машинного генератора, основан на явлении Магнитогидродинамического эффекта -- 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 Рабочее тело движется поперёк магнит- . В данном случае, проводниками явполя

ного поля, и под действием магнитного ляются электролиты, жидкие металлы или поля возникают противоположно направ- ионизированные газы (плазма). При двиленные потоки носителей зарядов проти- жении поперек магнитного поля в них возвоположных знаков. Разделение никают противоположно направленные положительно (q>0) и отрицательно

(q<0) заряженных частиц под потоки носителей зарядов противополождействием магнитного поля B. ных знаков. На основе магнитогидродина эффекта созданы устройства -- мического магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Рисунок 1 Действие силы Лоренца

В качестве рабочих тел в МГД-генераторах могут использоваться:

• 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 различают МГД-генераторы:

• с открытым циклом. Рабочее тело (продукты сгорания) смешивается сприсадками (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.

5 Преимущества МГД-генераторов

• Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку

• В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери т 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. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД - ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины - 65%

* Высокая маневренность

6 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 происходитвозникновение 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.

• На данный момент наиболее широко изучены и разработаны плазменные МГДгенераторы. Информации о МГД-генераторах, использующих в качестве рабочего тела морскую воду, не найдено.

Из списка, представленного выше, видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Данные трудности решаются различными 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.

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

Библиографический список

1) Электронный ресурс. Режим точки доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki

2) Электронный ресурс. Режим точки доступа: http://livescience.ru

3) Электронный ресурс. Режим точки доступа: http://dic.academic. ru/dic.nsf/ enc_physics

4) Электронный ресурс. Режим точки доступа: Ораевский В.Н. Плазма на земле и в космосе. - Киев.Наукова Думка. 1980 г. с. 206

Размещено на Allbest.ru