О перспективности МГД генераторов слышал почти каждый, кто интересовался энергетикой. А вот то, что эти генераторы находятся в статусе перспективных уже более 50 лет, известно немногим. О проблемах, связанных с плазменными МГД генераторами, рассказывается в статье.
История с плазменными, или магнитогидродинамическими (МГД) генераторами удивительно похожа на ситуацию с термоядерным синтезом. Кажется, что нужно сделать только одни шаг или приложить небольшое усилие, и прямое преобразование тепла в электрическую энергию станет привычной реальностью. Но очередная проблема отодвигает эту реальность на неопределенное время.
Прежде всего, о терминологии. Плазменные генераторы являются одной из разновидностей МГД генераторов. А те, в свою очередь, получили свое название по эффекту появления электрического тока при движении электропроводящих жидкостей (электролитов) в магнитном поле. Эти явления описываются и изучаются в одном из разделов физики – магнитогидродинамике. Отсюда и получили свое название генераторы.
Исторически первые эксперименты по созданию генераторов проводились с электролитами. Но результаты показали, что разогнать потоки электролитов до сверхзвуковых скоростей очень трудно, а без этого КПД (коэффициент полезного действия) генераторов чрезвычайно низок.
Дальнейшие исследования проводились с высокоскоростными ионизированными потоками газа, или плазмой. Поэтому сегодня, говоря о перспективах использования МГД генераторов, нужно иметь в виду, что речь идет исключительно о плазменной их разновидности.
Физически эффект появления разности потенциалов и электрического тока при движении зарядов в магнитном поле аналогичен эффекту Холла. Те, кто работал с датчиками Холла, знают, что при прохождении тока через полупроводник, помещенный в магнитное поле, на обкладках кристалла, перпендикулярных линиям магнитного поля, появляется разность потенциалов. Только в МГД генераторах вместо тока пропускают проводящее рабочее тело.
Мощность МГД генераторов напрямую зависит от проводимости проходящего через его канал вещества, квадрата его скорости и квадрата напряженности магнитного поля. Из этих соотношений понятно, что чем больше проводимость, температура и напряженность поля, тем выше отбираемая мощность.
Все теоретические исследования по практическому преобразованию тепла в электричество были выполнены еще в 50-х годах минувшего столетия. А спустя десятилетие появились опытно-промышленные установки «Марк-V» в США мощностью 32 МВт и «У-25» в СССР мощностью 25 МВт. С тех пор ведется отработка различных конструкций и эффективных режимов работы генераторов, испытания разнообразных типов рабочих тел и конструкционных материалов. Но до широкого промышленного использования плазменные генераторы так и не дошли.
Что мы имеем на сегодняшний день? С одной стороны, уже работает комбинированный энергоблок с МГД генератором мощностью 300 МВт на Рязанской ГРЭС. КПД собственно генератора превышает 45%, тогда как КПД обычных тепловых станций редко достигает 35%. В генераторе используется плазма с температурой 2800 градусов, полученная при сгорании природного газа, и мощный сверхпроводящий магнит.
Казалось бы, плазменная энергетика стала реальностью. Но подобные МГД генераторы в мире можно сосчитать на пальцах, и созданы они еще во второй половине прошлого века.
Первая причина очевидна: для работы генераторов требуются жаропрочные конструкционные материалы. Часть материалов разработано в рамках выполнения программ по термоядерному синтезу. Другие используются в ракетостроении и засекречены. В любом случае, эти материалы чрезвычайно дорогие.
Другая причина заключается в особенностях работы МГД генераторов: они производят исключительно постоянный ток. Поэтому требуются мощные и экономичные инверторы. Даже сегодня, несмотря на достижения полупроводниковой техники, подобная задача до конца не решена. А без этого передать огромные мощности потребителям невозможно.
Не решена полностью и задача создания сверхсильных магнитных полей. Даже применение сверхпроводящих магнитов не решает проблему. Все известные сверхпроводящие материалы имеют критическую величину напряженности магнитного поля, выше которой сверхпроводимость просто исчезает.
Можно только гадать, что может произойти при внезапном переходе в нормальное состояние проводников, в которых плотность тока превышает 1000 А/мм2. Взрыв обмоток в непосредственной близости с плазмой, разогретой почти до 3000 градусов не вызовет глобальной катастрофы, но дорогостоящий МГД генератор выведет из строя наверняка.
Остаются проблемы разогрева плазмы до более высоких температур: при 2500 градусах и добавках щелочных металлов (калия) проводимость плазмы, тем не менее, остается очень низкой, несоизмеримой с проводимостью меди. Но повышение температуры потребует опять новых жаропрочных материалов. Круг замыкается.
Поэтому все созданные на сегодня энергоблоки с МГД генераторами демонстрируют скорее уровень достигнутых технологий, чем экономическую целесообразность. Престиж страны – это важный фактор, но строить в массовом порядке дорогие и капризные МГД генераторы сегодня очень накладно. Поэтому даже самые мощные МГД генераторы остаются в статусе опытно-промышленных установок. На них инженера и ученые отрабатывают будущие конструкции, испытывают новые материалы.
Когда закончится эта работа, сказать трудно. Изобилие различных конструкций МГД генераторов говорит о том, что до оптимального решения еще далеко. А информация о том, что идеальным рабочим телом для МГД генераторов является плазма термоядерного синтеза, отодвигает широкое применение их до середины нашего века.
Другие работы по теме:
Тесла-генератор тока
Получение электричества с помощь магнитогидродинамического преобразования. Применение топливных элементов для получения электричества при низких температурах. Пространственное разделение ионных и электронных потоков. Использование топливных элементов.
Агрегатные состояния вещества, плазма
Изменение свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств вещества. Плазма - частично или полностью ионизированный газ. Свойства плазмы: степень ионизации, плотность, квазинейтральность. Получение и использование плазмы.
Плазма и ее применение
Если любое вещество накалить до очень высокой температуры или пропускать через него сильный электрический ток , его электроны начинают отрываться от атомов . То , что остается от атомов после отрыва электрона , имеет положительный заряд и называется
Майкл Фарадей
ФАРАД Й Майкл ФАРАДЁЙ, Майкл [22.IX.1791, Лондон (Ньюингтон)-25. VIII. 1867, Хэмптон-Корт ок. Лондона]- английский физик, создатель учения об электромагнитном поле, член Лондонского королевского общества (с 1824).
Энергосбережение в современном мире
Изучение необходимости и сущности энергосбережения. Характеристика основных направлений эффективного энергопотребления: энергосбережение на предприятии, сокращение тепловых потерь в зданиях разного назначения. Современные технологии энергосбережения.
Генераторы переменного тока
доповідь з фізики ліцеїста тл нтуу "КПі" групи фм - 43 демиденка германа на тему: " генератори змінного струму" Генераторы переменного тока
Шкала электромагнитных волн
Реферат Подготовил ученик 11.С класса Нарвской Гуманитарной гимназии Голубев Сергей Шкала электромагнитных волн представляет собой непрерывную последовательность частот и длин электромагнитных излучений, представляющих собой распространяющееся в пространстве переменное магнитное поле.
Измерительные генераторы студент группы ивт-260
Измерительные генераторы применяются при проверке и настройке различных приборов, определении частотных характеристик схем, например усилителей, и т д. Измерительные генераторы бывают разных типов и, как правило, каждый из них выполняет несколько функций
По у «Плазма четвертое состояние вещества»
Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, то есть, выполнено условие квазинейтральности
Электрохимический источник
В 1799 г. был построен первый электрохимический источник, электрической энергии – «вольтов столб» и осуществлен электролиз воды.
Электрические машины
Производство электроэнергии является достаточно легким процессом, а электродвигатели могут служить для различных целей - от бурения скважин до обеспечения движения поездов.
Явление разделения спина и заряда в сверхтонких проводниках
Электроны являются основными носителями электричества и благодаря им же мы можем изготавливать магниты. Электрический и магнитный заряд переносятся электронами, которые традиционно кажутся не только не имеющими размера, но и неделимыми.
Хронология открытий в физике электричества
Ученый Открытие 1600 У. Гилберт Заложены основы электро и магнитостатики 1733 Ш. Дюфе Открытие двух видов электричества, установление притяжения разноименных зарядов и отталкивания одноименных
Электрический генератор
Электрический генеритор — это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.
Сверхвысокочастотные диоды
В технике сверхвысоких частот (для работы в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн) применяются особые германиевые и кремневые сверхвысокочастотные диоды (СВЧ диоды).
Законы электролиза Фарадея
Два закона электролиза — это всего лишь небольшая часть вклада Майкла Фарадея в науку. Электролиз — это совокупность процессов, происходящих при пропускании электрического тока через электролит.
Расчет схемы мультивибратора на полевых транзисторах
Электронная вычислительная техника. Описание схемы устройства, расчет фантастронного генератора пилообразного напряжения. Генераторы прямоугольных импульсов, линейно-изменяющегося напряжения, ступенчато-изменяющегося напряжения, синусоидальных колебаний.
Воздействие электричества на организм человека
Исследованием способов воздействия электричества на организм человека в течение многих лет занимался А. Т. Болотов. Им впервые в России была создана стационарная электролечебница с разнообразным набором инструментов и приборов для осуществлени я процедур.
Оружие третьей мировой войны
Работа над этим оружием началась еще во времена президента Рейгана. Именно в рамках стратегической оборонной инициативы и был создан образ идеального оружия нового поколения - лучевого оружия на новых физических принципах.
Авария в энергосистеме в США и Канаде 2003
Штаты и провинции оставшиеся без электричества 14 августа 2003 года между 15:45 и 16:15 по стандартному восточному времени (23:45 и 0:15 по московскому времени), наблюдатели в Кливленде, Толедо, городе Нью-Йорк, Олбани, Детройте и в части Нью-Джерси сообщили о перебоях в подаче электроэнергии [1].
Устройства отображения информации монитор видеокарта
Text Text Действие основано на свечении газа при пропускании через него электрического тока. Схема такова: имеются два листа, между ними инертный газ; один из листов прозрачный, а на втором расположены электроды, на которые подаётся напряжение. Обычно газо-плазменные индикаторы состоят из нескольких подобных элементарных ячеек, число точек в каждой из которых подобрано наиболее оптимальным образом для отображения одиночных символов. (Выглядит это примерно так же, как часы в метро.) Действие основано на свечении газа при пропускании через него электрического тока.
Новый взгляд на работу сердца и движение крови
Современная нетрадиционная медицина располагает акупунктурным методом диагностики и электрического воздействия на отдельные точки тела. Однако, источник возникновения электрического тока в организме человека до сего времени неизвестен.
Аисты
Вы, наверное, слышали и сказки, и песни, и стихи об аисте. Это он доверчиво расхаживает по лугу у самой деревни и устраивают свое большое широкое гнездо, сложенное из прутьев и веток, прямо на крыше деревенского дома.
Луиджи Гальвани
Гальвани, Луиджи (Galvani, Luigi) (1737–1798), итальянский анатом и физиолог, основоположник электрофизиологии.
Звёзда 2
Звезда́ — небесное тело, в котором идут, шли или будут идти термоядерные реакции. Но чаще всего звездой называют небесное тело, в котором идут в данный момент термоядерные реакции[1]. Солнце — типичная звезда спектрального класса G. Звёзды представляют собой массивные светящиеся газовые (плазменные) шары.