Magnetohydrodynamický generátor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 10. února 2022; kontroly vyžadují 3 úpravy .

Magnetohydrodynamický generátor, generátor MHD -  elektrárna, ve které se energie pracovní tekutiny (kapalného nebo plynného elektricky vodivého prostředí) pohybující se v magnetickém poli přeměňuje přímo na elektrickou energii .

Původ jména

V generátoru MHD se mechanická energie pohybujícího se média přímo přeměňuje na elektrickou energii. Pohyb takových médií popisuje magnetická hydrodynamika ( MHD ), která dala zařízení jméno .

Jak to funguje

Princip činnosti generátoru MHD, stejně jako konvenčního strojního generátoru , je založen na jevu elektromagnetické indukce , tedy na výskytu proudu ve vodiči protínajícím siločáry magnetického pole . Na rozdíl od strojních generátorů je vodičem v generátoru MHD samotná pracovní tekutina .

Pracovní těleso se pohybuje napříč magnetickým polem a působením magnetického pole vznikají opačně směrované toky nosičů náboje opačného znaménka.

Lorentzova síla působí na nabitou částici .

Jako pracovní tělo generátoru MHD mohou sloužit následující média:

První generátory MHD používaly jako pracovní tekutinu elektricky vodivé kapaliny (elektrolyty). V současné době se používá plazma, ve které jsou nosiči náboje především volné elektrony a kladné ionty . Vlivem magnetického pole se nosiče náboje odchylují od trajektorie, po které by se plyn pohyboval v nepřítomnosti pole. V tomto případě může v silném magnetickém poli vzniknout Hallovo pole (viz Hallův jev ) - elektrické pole vzniklé v důsledku srážek a posunů nabitých částic v rovině kolmé k magnetickému poli.

Čerpadlo MHD

Generátory MHD mají vlastnost reverzibility. Když se na elektrody přivede elektrické napětí, bude na elektricky vodivé médium působit síla, jako na vodič s proudem v magnetickém poli. Tuto sílu lze využít k čerpání vodivých kapalin a plynů.

Zařízení

Generátor MHD se skládá z kanálu , po kterém se pohybuje pracovní tekutina (obvykle plazma ) , systému magnetů vytvářejících magnetické pole a elektrod , které odvádějí přijatou energii. Jako magnety lze použít elektromagnety nebo permanentní magnety , ale i jiné zdroje magnetického pole .

Plyn je schopen vést (viz elektrická vodivost ) elektrický proud při zahřátí na teplotu tepelné ionizace asi 10 000 K. Pro snížení této teploty na 2200-2700 K se do zahřátého plynu přidávají přísady obsahující alkalické kovy . Například zavedení 1% draslíku ve formě potaše umožňuje desetinásobně zvýšit elektrickou vodivost. Bez přísad je plyn při teplotách 2200–2700 K nízkoteplotní plazma a vede proud hůře než voda.

Na rozdíl od MHD generátoru s kapalnou pracovní kapalinou, kde elektřina vzniká pouze přeměnou části kinetické nebo potenciální energie proudění při konstantní teplotě, jsou u MHD generátorů s plynnou pracovní kapalinou zásadně možné tři režimy:

Popis činnosti generátoru MHD:

Klasifikace

Klasifikace podle délky práce [1] :

Zdroje tepla v generátorech MHD mohou být:

Jako pracovní orgány v generátorech MHD lze použít:

Podle typu pracovního cyklu se MHD generátory rozlišují:

Podle způsobu odstranění elektřiny se generátory MHD rozlišují:

Tvar kanálů v generátorech MHD může být:

Podle konstrukce a způsobu připojení elektrod se rozlišují tyto generátory MHD:

Od 70. let 20. století se vodivé lineární generátory MHD nejvíce používají na produkty spalování fosilních paliv s přísadami alkalických kovů, pracující v otevřeném cyklu.

Historie vynálezu

Myšlenku použití tekutého vodiče poprvé navrhl Michael Faraday v roce 1832. Dokázal, že v pohybujícím se vodiči při působení magnetického pole vzniká elektrický proud . V roce 1832 Faraday a jeho pomocníci spustili dva měděné plechy z mostu Waterloo do vody řeky Temže . Plechy byly spojeny dráty s galvanometrem . Počítalo se s tím, že vody řeky tekoucí ze západu na východ – pohybující se vodič a magnetické pole Země – vytvoří elektrický proud, který bude zaznamenávat galvanometr. Zkušenost se nezdařila. Mezi možné příčiny poruchy patří nízká elektrická vodivost vody a malá velikost zemského magnetického pole .

Později, v roce 1851, se anglickému vědci Wollastonovi podařilo změřit EMF indukované přílivovými vlnami v Lamanšském průlivu , avšak nedostatek potřebných znalostí o elektrických vlastnostech kapalin a plynů bránil použití popsaných efektů v praxi na dlouhou dobu. čas.

V následujících letech se výzkum rozvíjel dvěma hlavními směry:

Přestože první patenty na výrobu elektřiny MHD generátorem využívajícím ionizovaný energetický plyn byly vydány již v letech 1907-1910, návrhy v nich popsané byly v praxi nerealizovatelné. V té době neexistovaly materiály schopné provozu v plynném prostředí o teplotě 2500–3000 °C.

Vývoj MHD generátorů byl umožněn po vytvoření teoretické a experimentální základny pro studium magnetohydrodynamiky . Základní zákony MHD objevil v roce 1944 švédský vědec Hannes Alfven při studiu chování kosmického plazmatu (plazma vyplňujícího mezihvězdný prostor) v magnetickém poli.

První funkční MHD generátor byl sestrojen až v 50. letech 20. století díky rozvoji teorie magnetohydrodynamiky a fyziky plazmatu , výzkumu v oblasti fyziky vysokých teplot a do té doby vytvoření tepelně odolných materiálů, které se pak používaly především v raketová technologie.

Zdrojem plazmy o teplotě 3000 K v prvním MHD generátoru postaveném v USA v roce 1959 byl plazmový hořák pracující na argonu s přísadou alkalického kovu pro zvýšení stupně ionizace plynu . Výkon generátoru byl 11,5 kW . Do poloviny 60. let mohl být výkon MHD generátorů využívajících produkty spalování zvýšen na 32 MW (Mark-V, USA).

V SSSR byla v roce 1964 vytvořena první laboratorní instalace „U-02“, která fungovala na přírodní palivo [2] . V roce 1971 byla spuštěna pilotní průmyslová elektrárna "U-25" Institutu pro vysoké teploty Ruské akademie věd s projektovaným výkonem 20-25 MW .
„U-25“ pracoval na zplodinách spalování zemního plynu s přídavkem K 2 CO 3 jako ionizační přísady, teplota průtoku byla cca 3000 K. Instalace měla dva okruhy:

Elektrické vybavení "U-25" sestávalo z generátoru MHD a invertorové instalace , namontované na rtuťových ignitronech . V roce 1992 vznikl CHPP-28 na základě pilotního stanoviště U-25 , které se stalo součástí moskevského energetického systému. Později se stal součástí CHPP-21 .

V Rusku se stavěl průmyslový generátor MHD v Novomichurinsku , Rjazaňská oblast, kde byl MHDPP speciálně postaven vedle Rjazaňska GRES . Generátor však nebyl nikdy uveden do provozu. Od počátku 90. let byly práce zcela utlumeny a elektrárna MHD bez generátoru MHD, fungující po několika transformacích jako klasická tepelná elektrárna, byla nakonec připojena k Rjazanské GRES.

V průběhu geofyzikálního experimentu „Khibiny“ v polovině 70. let 20. století v SSSR pro elektrické sondování zemské kůry byl použit pulzní generátor MHD o maximálním výkonu 100 MW , proudu 20 kA a provozní době asi 10 s bylo použito [1] .

Charakteristika

Napájení

Výkon generátoru MHD je úměrný vodivosti pracovní tekutiny, druhé mocnině její rychlosti a druhé mocnině síly magnetického pole . Pro plynnou pracovní tekutinu v rozsahu teplot 2000-3000 K je vodivost úměrná teplotě na 11.-13. mocninu a nepřímo úměrná druhé odmocnině tlaku.

Průtok

Rychlosti proudění v generátoru MHD mohou být v širokém rozmezí – od podzvukových po nadzvukové, přes 1900 m/s.

Indukce magnetického pole

Indukce magnetického pole je dána konstrukcí magnetů a je omezena na cca 2  T pro magnety s ocelí a až 6-8  T pro supravodivé magnetické systémy.

Výhody a nevýhody

výhody:

nedostatky:

V kombinaci s parními elektrárnami umožňuje generátor MHD v jednom bloku získat velké výkony až 500–1000 MW.

Aplikace

Teoreticky existuje pět oblastí průmyslové aplikace generátorů MHD:

  1. tepelné elektrárny s MHD generátorem využívající produkty spalování paliva (otevřený cyklus); taková zařízení jsou nejjednodušší a mají nejbližší vyhlídky na průmyslové využití;
  2. jaderné elektrárny s MHD generátorem na inertní plyn ohřívaný v jaderném reaktoru (uzavřený cyklus); perspektiva tohoto směru závisí na rozvoji jaderných reaktorů s teplotou pracovní tekutiny nad 2000 K;
  3. termojaderné elektrárny bezneutronového cyklu (například D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV ) s generátorem MHD na vysokoteplotním plazmatu;
  4. cykly s MHD generátorem na bázi tekutého kovu, které jsou perspektivní pro jadernou energetiku a pro speciální elektrárny relativně malého výkonu;
  5. hypersonické letecké systémy. (přes 4 mil[ upřesnit ] ).

Elektrárny s MHD generátorem lze také použít jako záložní nebo nouzové zdroje energie v energetických systémech, pro palubní energetické systémy kosmické techniky, jako zdroje energie pro různá zařízení, která vyžadují krátkodobě vysoký výkon (např. elektrické ohřívače větrného tunelu atd.).

Navzdory lákavým vyhlídkám a rychlému rozvoji výzkumu v oblasti MHD generátorů v 70. letech minulého století nenašla zařízení na nich založená široké průmyslové uplatnění. Kamenem úrazu je nedostatek materiálů pro stěny generátoru a elektrod schopných provozu při vznikajících extrémních teplotách po poměrně dlouhou dobu [2] .

Dalším problémem je, že generátory MHD dodávají pouze stejnosměrný proud . Proto jsou zapotřebí výkonné a ekonomické střídače [3] .

V televizních vzdělávacích pořadech o fyzice, vysílaných v SSSR na konci 80. let, bylo uvedeno, že byl spuštěn průmyslový generátor MHD a fungoval v oblasti Rjazaň, což nebyla pravda - nikdy nefungoval. Mluvíme o Ryazanskaya GRES-24 . Vývoj instalace byl proveden, ale potýkal se s jistými[ co? ][ objasnit ] problémy. Nakonec bylo vytvoření generátoru MHD zrušeno a parní kotel zařízení byl uveden do provozu autonomně v roce 1984 [4] . Instalace počítala s částí MHD o výkonu 500 MW a na ni navazující nástavbou plynové turbíny o výkonu 300–310 MW [5] . Ten byl následně samostatně dokončen [4] a uveden do provozu 1. června 2010 [6] .

V 21. století se staví a testují experimentální ponorky s magnetohydrodynamickým pohonným systémem [7] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ 1 2 Oleg Mamaev. Jak udělat elektřinu z pohybu: MHD generátory // Věda a život . - 2015. - č. 8. - S. 72-80. — ISSN 0028-1263. — URL Archivováno 4. března 2016 na Wayback Machine
  2. ↑ 1 2 Konyushaya Yu. P. MHD generátory // Objevy sovětských vědců. - M .: Moskovský dělník, 1979.
  3. ↑ Kdy se plazmové generátory elektřiny stanou realitou? . "Elektrické informace" . "KM Online" (28. července 2013). Získáno 28. 5. 2016. Archivováno z originálu 24. 6. 2016.
  4. ↑ 1 2 Berezinets P. A., Doverman G. I., Tereshina G. E., Kryuchkova T. I. Plynová turbínová nástavba energetického bloku o výkonu 300 MW GRES-24 s agregátem plynové turbíny GTE-110 (nedostupný odkaz) . OAO VTI - CJSC Optim-K, Moskva. Získáno 28. 5. 2016. Archivováno z originálu 23. 6. 2016. 
  5. ↑ MHD-instalace Ryazanskaya GRES . Encyklopedie strojírenství XXL . Získáno 6. července 2020. Archivováno z originálu dne 6. ledna 2019.
  6. ↑ Ryazanskaya GRES (nepřístupný odkaz) . PJSC Gazprom, OGK-2. Získáno 28. května 2016. Archivováno z originálu dne 28. září 2020. 
  7. ↑ Ozbrojené síly ČLR testovaly v roce 2017 experimentální ponorku s unikátní magnetohydrodynamickou elektrárnou vlastní konstrukce Archivovaná kopie ze 4. května 2022 na Wayback Machine // PopMech , 04/09/2022

Literatura

Ashkinazi L. Generátor MHD // Kvant , 1980. - č. 11. - S. 2-8.
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích