“Моделирование МГД – генератора”

Работу выполнила:

Трухачева Любовь Станиславовна

МБОУ СОШ №11 9В класс

Научный руководитель:

Балакишиева Алла Викторовна

учитель I квалификационной категории.

г. Архангельск

2013 год

Энергетические ресурсы Земли практически неисчерпаемы, их хватит на многие тысячи лет, так как люди для своих нужд потребляют различные виды энергии: ядерную, химическую, тепловую, механическую. Но самой удобной для удовлетворения потребностей человека является электрическая энергия. Чтобы добыть ее используют энергию рек, Солнца, ветра и т. д. В зависимости от источника строят различные типы электростанций.

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.

Нужны были какие-то новые идеи, и ученые нашли их. Это принципиально новый магнитогидродинамический  способ получения электрической энергии, суть которого заключается в том, что тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

Это и стало темой исследования: “ Магнитогидродинамический  способ получения электрической энергии”.

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 исследование научной литературы.
2. Выявить физические законы, принципы, которые объясняют магнитогидродинамический эффект.
3. Изучить практическое применение МГД реактора.
4. Изготовить модель демонстрирующую магнитогидродинамический эффект.

Теоретическая часть

Магнитогидродинамический эффект.

Магнитогидродинамический эффект - возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, т.е. на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы и 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.

Если проводником является жидкость, то генерирование электроэнергии идет только вследствие преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока электропроводной жидкости практически при постоянной температуре.

Эффект заключается в том, что жидкость, через которую пропускают ток, в магнитном поле приходит в движение. Направление и сила этого движения определяются законами Ампера.

МГД-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.

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

История изобретения.

Майкл Фарадей в 1832 году 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. В дальнейшем, в 1851 году английскому учёному Волластону удалось измерить ЭДС^[1], 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 экспериментальный МГД-генератор мощностью всего в 11,5 кВт был построен в 1959 г. в США. В 1965 г. в СССР был исследован первый советский МГД-генератор, а в 1971 г. состоялся пуск опытно-промышленной установки — своеобразной электростанции с МГД-генератором мощностью 25 МВт.

Устройство.

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

 Схема плазменного МГД-генератора: 1 — генератор плазмы; г — сопло; 3 — МГД-канал; 4 — электроды с последовательно включённой нагрузкой; 5 — магнитная система, создающая тормозящее магнитное поле; Rн — нагрузка.

Принцип действия.

Когда электропроводящая жидкость, в частности жидкий металл, течет в магнитном поле и при этом имеется компонента скорости, перпендикулярная вектору магнитной индукции, в жидкости возникает электрическое поле, и текут электрические токи. Эти токи взаимодействуют с магнитным полем. Во-первых,  возникает механическая объемная сила электромагнитного происхождения (сила Лоренца), которая, добавляясь к другим силам, действующим в жидкости, видоизменяет характер течения. Во-вторых, собственное магнитное поле токов накладывается на исходное внешнее поле, или ослабляя, или усиливая его. Характер МГД-явлений в жидких металлах и электролитах определяется, прежде всего, несжимаемостью  среды. Среда эта является хорошим проводником, но характерные размеры течений невелики, вследствие чего поля, возбуждаемые токами, малы или того же порядка, что и приложенное поле.

МГД-генератор предназначен непосредственно преобразовывать тепловую энергию в электрическую, т.е. без использования тепломеханического оборудования. Для реализации такого способа необходимо иметь рабочее тело в виде плазмы. Однако плазменное состояние, например, продуктов сгорания, наступает при очень высокой температуре. Поэтому предполагалось вводить в продукты сгорания ионизирующую добавку –K2SO4. При реализации такого технического решения встретились большие трудности из-за высокой температуры рабочего тела.

Пусть имеется поток свободных заряженных частиц (электронов, ионов).

Если этот поток попадёт в область магнитного поля перпендикулярно силовым линиям, то на каждую заряженную частицу будет действовать сила Лоренца. Положительно заряженные частицы будут отклоняться в одну сторону, отрицательно заряженные – в противоположную. Если в нужных местах разместить два электрода, то на них будут скапливаться разноимённые заряды и возникнет ЭДС; а в проводнике, соединяющем электроды, пойдёт электрический ток. Получим источник электричества, в котором нет никаких движущихся, вращающихся механических частей, в отличие от других известных генераторов электрической энергии. 

Принцип работы  МГД-генератора основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В МГД-генераторе проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперёк магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков.

Если в обычных электрогенераторах электрический ток получается в результате движения в магнитном поле твердых проводников, то в МГД-генераторе роль движущего проводника играет протекающий с большой скоростью (около 1000м/с) ионизированный газ или электропроводная жидкость. В МГД-генераторе нет никаких движущихся частей, поэтому этот метод называют также методом безмашинного преобразования тепла в электричество. Он позволит повысить КПД электростанций на  10-15%, а каждый процент-это экономия миллионов тонн топлива.

Рабочим телом МГД-генератора могут служить следующие среды:

• Электролиты
• Жидкие металлы
• Плазма (ионизированный газ)

Силы действующие в жидкости при МГД-течении:

• Движение, сила инерции
• Электромагнитная сила

При движении потока газа в поперечном магнитном поле в газе индуцируется электрическое поле с напряженностью

E = V ⋅ B,

где V – скорость потока; B – индукция внешнего магнитного поля.

Удельная электрическая мощность,  отнесенная к единице объема МГД-канала, равна

Nv= σ.V2.B2. s.(1-s),

где σ –  проводимость потока газа; s=E/(V.B)–  коэффициент нагрузки.

Из этой формулы видно, что удельная мощность Вт/м3  пропорциональна квадрату скорости потока.

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^[2], которое объясняется смещением заряженных частиц между соударениями в сильном магнитном поле в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

Характеристики

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.

Классификация

1.По источнику тепла

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

2.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.

3.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 втеплообменнике рабочему телу, которое затем, пройдя МГД-генератор, возвращается через компрессор, замыкая цикл.

4.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.

5.По форме канала

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

6.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.

Достоинства и недостатки.

Достоинства.

• Главное достоинство МГД-генераторов состоит в том, что они, повышая на 10-20% коэффициент полезного действия по сравнению с тепловыми электростанциями, могут в настоящее время вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах.
• МГД-генератор позволяет непосредственно превращать тепловую энергию в электричество без промежуточных сложных устройств типа паровой турбины или двигателя внутреннего сгорания.
• 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.
• Одним из достоинств МГД-генератора, работающего на чистом инертном газе, является отсутствие щелочной присадки и соответственно проблем, связанных с ее подачей и восстановлением.
• Преимущество МГДГ заключаются в возможности использования высокой температуры рабочего тела, обеспечивающего высокую начальную температуру термодинамического цикла.

Недостатки

• Необходимость применения жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000-3000К. 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 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.

Применение МГД-генератора.

Теоретически, существуют четыре 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 c МГД-генератором на высокотемпературной плазме;

Циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые перспективны для атомной энергетики и для специальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности.

Эксперимент «Хибины»

Эксперимент «Хибины» на полуострове Рыбачий начался, когда совсем неподалеку, близ Заполярного, на Кольской сверхглубокой закончился первый этап бурения. В газете «Правда» появилась первая статья об этой работе. В 1986-м Сверхглубокая смогла достигнуть рекордной отметки — 12262 метра. Скважина вошла в Книгу рекордов Гиннесса. Говорят, что каждый ее метр знаменовался новым научным открытием. Опыты на Рыбачьем позволили исследователям «просветить» Землю вниз на тридцать километров. Но о них мало что известно.

Эксперимент был окружен завесой строжайшей секретности. Говорят, что после первых пусков магнитогидродинамического генератора (МГД-генератор) на Рыбачьем правительство Норвегии заявило Советскому Союзу протест. Норвежцы сочли, что улавливаемые аппаратурой подземные импульсы — это последствия испытаний ядерного оружия, которые проходили на Кольской земле.

По описанию очевидцев, со стороны это действительно было похоже на атомный взрыв. Над морем вставало грибовидное облако. Упираясь тонкой ножкой в землю, оно росло и колыхалось. Зрелище сопровождалось грохотом, который эхом отдавался среди скал и разносился над Мотовским заливом.

Но это был не взрыв атомной бомбы, а последствия короткого — восьмисекундного — удара электрическим током огромной силы — около 20 тысяч ампер. Его вырабатывал МГД-генератор. От него по двум мощным алюминиевым кабелям ток проходил в заливы, окружающие перешеек между губами Кутовая и Волоковая.

Заряд «растекался» в море, образуя вокруг Рыбачьего расходящиеся петли радиусом 50-100 километров.

Доктор геолого-минералогических наук Абдулхай Жамалетдинов, сотрудник Кольского филиала РАН, тогда отметил, что этот эксперимент позволил разобраться в основных чертах структуры электропроводности древнего кристаллического щита. Результаты, надо сказать, оказались неожиданными. Прежде ученые считали, что Балтийский кристаллический щит — это сравнительно однородная область, сложенная плохо проводящими породами. В действительности же обнаружено около десятка крупных блоков разного электрического сопротивления. В ходе эксперимента выявлены зоны, перспективные с точки зрения поиска месторождений полезных ископаемых.

Ученые утверждали, что МГД-генератор может стать незаменимым помощником для поиска и оценки углеводородных месторождений. С помощью его импульсов можно определять границу между нефтью и газом, нефтью и водой, оценивать толщину залежей нефти. Эксперименты, начавшиеся на Кольском полуострове, предполагалось продолжить еще и на Сахалине. Президиум Академии наук СССР утвердил программу работ по исследованию геоэлектрическим методом земной коры в рудных и нефтегазоносных районах Севера и Дальнего Востока СССР на 1981—1985гг.

От МГД-генератора, который мог бы показать, где находятся залежи, сейчас остались лишь руины. Объект, который был гордостью советской науки, разобрали «металлисты». Уникальное оборудование оказалось в скупке как обычный металлолом…

Практическая часть

Представлена в виде видеофрагментов лабораторного исследования и презентации в приложении.

Приложение

Рис.1 СХЕМА

Рис.2 РАЗДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДОВ

Рис.3 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА

Фото 1 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Фото 2 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.