МГД-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

В мире сложилось мнение, что в какой-то момент времени, если не предпринять меры – закончатся привычные для нас источники энергии, такие как уголь, нефть, природный газ. Данные источники энергии называются  невозобновляемыми, т.е. те источники, которые не восполняются после использования, либо на их восполнение понадобиться много времени по сравнению со скоростью их затрат. Поэтому всё чаще рассматривают вариант к постепенному переходу от невозобновляемых к возобновляемым источникам энергии, либо использование различных инноваций, позволяющие получать большое количество энергии, при этом затрачивая намного меньше ресурсов. Данные новшества рассматривает нетрадиционная энергетика.

Нетрадиционная энергетика, кроме солнечной, ветровой, геотермальной энергетики, рассматривает также различные преобразователи, генераторы, установки. К одним из таких преобразователей относят магнитогидродинамические генераторы.

Магнитогидродинамический генератор (далее МГД-генератор) – это энергоустановка, в которой энергия рабочего тела, движущегося в магнитном поле, преобразуется в электрическую энергию. [4] Название данной установки объясняется дисциплиной магнитная гидродинамика. Магнитная гидродинамика изучает движение электропроводящей жидкости в магнитном поле. [3]

Принцип действия МГД-генератора основан на явлении электромагнитной индукции (рисунок 1). В электропроводящем потоке, движущегося в поперечном магнитом поле, индуцируется электрическое поле.

Рисунок 1. Схема генерации энергии в МГД

1 – вход в канал; 2 – электроды; 3 – нагрузка; E – ЭДС; B – вектор магнитной индукции; v – скорость потока

На стенках канала с шириной b возникает электродвижущая сила (ЭДС), равная

                                                                (1),

где  - скорость электропроводящего потока;  - магнитная индукция;  - ширина канала.

При замыкании цепи на нагрузку в потоке рабочего тела потечёт ток  (иначе при разомкнутой цепи не будет ЭДС и следовательно тока):

                                                   (2),

где  - напряжение на нагрузку;  - внутреннее сопротивление генератора;  - коэффициент нагрузки.

При этом на единицу длины проводника в магнитном поле действует сила , тормозящая поток и, следовательно, преобразующая его кинетическую энергию в электрическую. [1]

Электрическая мощность , вырабатываемая в канале генератора, определяется как произведение силы, тормозящая поток, на скорость потока, либо как произведение ЭДС на ток:

                                       (3),

где  - длина электродной стенки.

Одним из условий работы МГД-генератора является рабочее тело, которое, в свою очередь, должно обладать электропроводностью. В качестве рабочего тела используют: жидкие металлы, электролиты (к примеру, солёная вода), продукты сгорания ископаемого топлива, плазма и т.д.

По типу рабочего цикла различают установку открытого и закрытого цикла. В случае открытого типа рабочее тело, пройдя через МГД-генератор, выбрасывается в атмосферу. В закрытой схеме рабочее тело после отработки возвращается обратно в теплообменник. Так для открытого цикла применяют органическое топливо, а для закрытого – ядерное горючее[5].

Пример схемы с закрытым циклом представлен на рисунке 2:

Рисунок 2. Схема МГД-генератора закрытого типа с ядерным реактором

1 – впуск цезия; 2 – реактор; 3 – переменный ток; 4 – сопло; 5 – магнитная система; 6 – канал МГД-генератора; 7 – преобразователь переменного тока в постоянный; 8 – постоянный ток; 9 – компрессор; 10 – паротурбинная установка; 11 – регенерация цезия; 12 – генератор

К рабочему телу гелию добавляют с помощью впуска 1 цезий для улучшения качества электропроводности. Затем из реактора 2 через сопло 4 рабочее тело подаётся в канал МГД 6, где по изложенному ранее принципу получается постоянный ток 8. При этом с помощью компрессора 9 возвращается в реактор рабочее тело, паротурбинной установкой 10 и генератором 12 получают дополнительную энергию.

Из полученной информации можно поговорить о достоинствах и недостатках.

Достоинства: из рисунка 1 видно, что устройство работает без каких-либо подвижных частей, т.е. в установке нет потерь на трение, механического износа как в электродвигателях. За счёт высоких температур рабочего тела и добавок к ним, возможно получить высокий КПД, примерно 50-60%, а значит, получают и более высокую мощность.

Одним и самым важным недостатком установки является работа деталей с высокими температурами (порядка 2000-3000 К) как в самом канале МГД-генератора, так и на выходе из него, и как следствие - дороговизна деталей.

 Применяют МГД-генератор не только в энергетике, но и других отраслях: в концепции гиперзвукового летательного аппарата, как инструмент для воздействия на очаг готовящегося землетрясения, в металлургии [2] и т.д.

Перспектива промышленного применения МГД-генератора с тепловыми, атомными, термоядерными электростанциями и т.д. будет возможна только после решения проблем с условием работы установки, а именно, повышение термостойкость рабочих деталей.

Список литературы

1. Абрамов В.И., Бартоломей Г.Г., Бисярин А.Н. и др. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник/ Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 608 с.
2. Алиферов А.И., Блинов Ю.И., Бояков С.А. и др. Применение МГД устройств в металлургии: Учебное пособие по самостоятельной работе/ Под ред.  В.Н. Тимофеева, Е.А. Головенко, Е.В. Кузнецова – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007.
3. Каулинг Т. [Cowling T.G.] Магнитная гидродинамика/ Под ред. М.А. Леонтовича; пер. с англ. Э.Л. Бурштейна. – М.: Изд. о ин. литературе, Москва, 1959. – 132 с.
4. Родионов В.Г. Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего – М.: ЭНАС, 2010. – 352 с.
5. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, Москва, 1976. – 444 с.