Современные и перспективные источники электроэнергии малой мощности

2.10.1. Магнитогидродинамические генераторы

К одной из центральных физико-технических задач энергетики относится создание магнитогидродинамических генераторов (МГД - генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Возможности практической реализации такого рода преобразования энергии в широких промышленных масштабах появляются в связи с успехами в атомной физике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей.

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую позволяет существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов. В классическом паросиловом цикле преобразования энергии (рис. 2.1, а) тепло, получаемое при сжигании топлива, превращается во внутреннюю энергию пара, температура и давление которого при этом повышаются. Затем в паровых турбинах энергия пара превращается в механическую и только после этого в электрических генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую. Процессы этих многократных преобразований сопровождаются неизбежными потерями, снижающими эффективность всего цикла.

Рис. 2.16. Циклы преобразования энергии

В магнитогидродинамическом цикле (рис. 2.1, б) цепочка преобразований энергии значительно короче. Но не только в этом состоит преимущество МГД - преобразования энергии. КПД идеального теплового цикла Карно зависит от максимальной и минимальной температур рабочего тела. В современных топках парогенераторов температура превышает 2000°С, а нагрев лопаток паровых турбин из-за ограниченной теплостойкости материала не должен превышать 750° С, что ограничивает КПД до 0,6. В реальных условиях из-за несовершенства паросилового цикла КПД не удается повысить более чем до 0,4. В МГД - генераторах статические условия работы позволяют использовать материалы, на поверхности которых температура может достигать 2700 – 3000° С. Это открывает широкие перспективы повышения КПД преобразования энергии.

В качестве проводящего вещества в МГД - генераторах используются ионизированные газы. Чтобы обеспечить необходимую электропроводность газов, следует их температуру поддерживать не ниже 2000° С. Это обстоятельство не позволяет использовать МГД - преобразование во всем диапазоне температур от 3000 до 300 К. Поэтому МГД - генераторы целесообразно дополнять паротурбинными преобразователями, полезно использующими тепло газов, выходящих из каналов МГД -преобразователей. Сочетание МГД - генераторов с паротурбинными преобразователями энергии позволяет поднять КПД всей установки до 50 – 60%, что означает экономию десятков миллионов тонн топливных ресурсов в год. Стационарные МГД -установки наиболее приспособлены для преобразования энергии в широких масштабах. Повышение КПД установок с МГД - генераторами позволит снизить топливные составляющие стоимости электроэнергии и уменьшить капитальные затраты на сооружение станций.

Принцип работы МГД - генератора. Для современной электроэнергетики важное значение имеет открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции, который утверждает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуктируется э. д. с.

Э. д. с. индуктируется в любом проводнике – твердом, жидком или газообразном. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостями или газами, называется магнитогидродинамикой

Рис. 2.17. Схема МГД -генератора Кельвина

Рис. 2.18.Схема МГД - генератора с паросиловой установкой

Кельвин показал, что соленая вода в устье реки способна в магнитном поле Земли действовать как простейший генератор. Схема такого МГД -генератора Кельвина показана на рис. 2.2. В соответствии с законом электромагнитной индукции сила тока в проводниках 1, присоединенных к пластинам 2, опущенным в воду вдоль берегов реки, пропорциональна индукции магнитного поля Земли и скорости течения соленой морской воды в реке. При изменении направления течения воды в реке изменялось также и направление электрического тока в проводниках между пластинами.

Принципиальная схема действия современного МГД - генератора (рис. 2.3) мало отличается от приведенной на рис. 2.2. В рассматриваемой схеме между металлическими пластинами 1, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется э. д. с., вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа – плазмы – тормозится под действием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнитного потока.

Можно провести аналогию между этими возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и происходит путем совершения работы по преодолению сил торможения. Если какой-либо газ нагреть до высокой температуры (»3000°С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД - генератора будет происходить прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Плазма. До недавнего времени были известны три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Газ считался электрически нейтральным, так как нейтральны атомы и состоящие из них молекулы. Заряд электронов в атомах полностью уравновешивается зарядом ядра. При нагреве газа в результате интенсивного соударения атомов происходит выбивание внешних электронов. Если отделить все электроны от ядер, то вещество будет находиться в четвертом состоянии, называемом высокотемпературной плазмой. На Земле это состояние вещества не встречается, так как для его получения требуется температура порядка миллионов градусов и давление в десятки тысяч мегапаскаль. Высокотемпературная плазма содержится в глубинах Солнца.

При 3000° С некоторые газы превращаются в низкотемпературную плазму, состоящую из свободных атомов, диссоциированных ионов и электронов. Низкотемпературная плазма обладает высокой электропроводностью. Температуре 3000°С соответствует небольшая ионизация, равная 0,1%, однако проводимость при этом уже достигает 50%. При 1% ионизации достигается 80% проводимости. Следовательно, для практических целей нет необходимости стремиться к высокой ионизации.

Трудности использования ионизированных газов состоят в том, что при высокой температуре (например, 3000° С) не удается сохранить прочность камеры сгорания, каналов и сопла, по которым происходит движение газового потока.

Добавление некоторых легко ионизирующихся щелочных металлов, таких, как калий, натрий, во много раз (десятки тысяч) увеличивает электропроводность газа. При этом можно ограничиться температурой 2500 – 2700°С. Однако в этом случае возникают трудности, связанные с обеспечением необходимой коррозионной прочности материалов из-за повышения химической агрессивности среды, в которой должны работать эти конструкционные материалы.

МГД - генератор с паросиловой установкой. Принципиальная схема МГД - генератора с паросиловой установкой показана на рис. 2.3. В камере сгорания производится сжигание органического топлива, получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширяющийся канал МГД - генератора. Сильное магнитное поле создается мощными электромагнитами. Температура газа в канале генератора должна быть не ниже 2000° С, а в камере сгорания 2500 – 2800°С. Необходимость ограничения минимальной температуры газов, покидающих МГД - генераторы, вызывается настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000° С, что у них практически исчезает магнитогидродинамическое взаимодействие с магнитным полем.

Тепло отработанных в МГД - генераторах газов вначале используется для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и повышения тем самым эффективности процесса его сжигания. Затем это тепло в паросиловой установке расходуется на образование пара и доведение его параметров до необходимых величин.

Выходящие из канала МГД - генератора газы имеют температуру примерно 2000°С, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать при температурах, не превышающих 800° С, поэтому при охлаждении газов часть тепла теряется.

Трудности в создании МГД - генераторов состоят в получении материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам предъявляют высокие требования, так как они должны длительно работать в агрессивных средах при высоких температурах (2500 – 2800°С).

Для нужд ракетной техники созданы материалы, способные работать в таких условиях, однако они могут работать непродолжительное время – в течение минут. Продолжительность работы промышленных энергетических установок должна исчисляться по крайней мере месяцами.

Жаростойкость зависит не только от материала, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в электрической лампе при температуре 2500 – 2700°С может работать в вакууме или в среде нейтрального газа несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд.

Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкционных материалов.

В настоящее время созданы материалы, которые могут работать длительно при температуре 2200 – 2500°С (графит, окись магния и др.), однако они не способны противостоять механическим напряжениям.

Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД - генератора пока не решена. В настоящее время ведутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500° С. Разработан проект МГД - генератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно циркулирует в системе.

Для работы МГД - генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое может быть получено пропусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагрева обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможности наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие материалы.

Вопросам создания достаточно эффективных промышленных МГД - установок уделяется большое внимание во многих индустриально развитых странах мира. Повышение КПД установок с МГД - генераторами улучшает технико-экономические показатели работы и способствует уменьшению загрязнения окружающей среды вследствие более полного использования вовлеченных в энергетическое производство природных ресурсов.

Первые опытные конструкции МГД - генераторов имеют пока высокую стоимость. В будущем можно ожидать существенного снижения их стоимости, что позволит успешно использовать МГД - генераторы для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах, т. е. в режимах относительно непродолжительной работы. В этих случаях величина КПД не имеет решающего значения и МГД - генераторы могут использоваться и без паросиловой пристройки.