Магнитогидродинамический способ производства электроэнергии

Идея магнитогидродинамического преобразования теплоты в электричество была высказана ещё в XVIII в. Реализующий эту идею магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) непосредственно преобразует тепловую энергию (кинетическую энергию заряженных частиц движущегося рабочего тела) в электрическую и тем самым позволяет существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов [35, 36].

Рабочим телом в МГД-генераторе могут быть ионизированные газы (плазма), жидкие металлы, электролиты. Для создания генераторов энергетического назначения наиболее подходящим рабочим телом оказалась плазма. Принципиальная схема действия МГД-генератора показана на рис. 10.4.

Между металлическими пластинами 1, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя рабочего тела, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток плазмы тормозится под действием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнитного потока. Преобразование энергии и происходит путем совершения работы по преодолению сил торможения.

Важными преимуществами такого способа получения электрической энергии являются:

• • более короткая, чем в паросиловых установках, цепочка преобразований энергии, что повышает эффективность использования первичных энергоресурсов;
• • принципиальная возможность достичь КПД, значительно превосходящий КПД теплового цикла Карно, ограниченного максимальной температурой рабочего тела. В современных топках парогенераторов температура превышает 2000 °C, а нагрев лопаток паровых турбин из-за ограниченной теплостойкости материала не должен превышать 750 °C, что ограничивает КПД величиной примерно 50%. В МГД-генсраторах статические условия работы позволяют использовать материалы, на поверхности которых температура может достигать 2700−3000 °С. Это открывает перспективы повышения КПД преобразования энергии;
• • возможность дополнять МГД-генераторы паротурбинными преобразователями, полезно использующими тепло газов, выходящих из каналов МГД-прсобразоватслсй, что дополнительно повышает КПД всей установки.

Весьма вероятно, что перспективными могут оказаться МГДгенераторы с ядерными реакторами, используемыми для нагрева газов и их термической ионизации.

Первый МГД-генсратор был создан в 1959 г. в США и имел мощность всего 11,5 кВт; к концу 60-х гг. создан МГД-гснсратор («МаркV», США) мощностью уже 32 МВт. В нашей стране первый маломощный МГД-генератор был запущен в опытную эксплуатацию в 1965 г., а в 1971 г. — генератор мощностью 25 МВт («У-25»),.

Несмотря на положительные свойства МГД-генераторов, за полувековую историю исследований и разработок они так и не нашли широкого промышленного применения. Основными препятствиями являются: чрезвычайно жесткие требования к конструкционным материалам из-за высоких температур рабочего тела, необходимость создавать очень сильное магнитное поле, которое может быть получено пропусканием огромных токов по обмоткам из сверхпроводящих материалов (во избежание сильного нагрева обмоток и больших потерь энергии в них). Следствиями являются высокая удельная стоимость установленной мощности и вырабатываемой электроэнергии, малая продолжительность непрерывной работы МГД-генераторов.

Оптимизм внушает быстрый прогресс в смежных отраслях техники и технологий:

• • созданы материалы, которые могут работать длительно при температуре 2200−2500 °С (графит и композиционные материалы на основе графитовых нитей, окись магния, нитриды, а также материалы на основе нанопорошков и др.);
• • большие средства и силы направлены на создание высокотемпературного ядерного реатора;
• • накапливается опыт проектирования и эксплуатации электромагнитов со сверхпроводящими обмотками (прежде всего в связи с проблемой УТС).

Вопросы и задания

• 1. Перечислите и охарактеризуйте достоинства и недостатки возобновляемых источников энергии.
• 2. Назовите регионы России, перспективные для использования в энсргопроизводствс тех или иных НВИЭ.
• 3. Перспективы возобновляемой энергетики. Каковы определяющие факторы?
• 4. Принцип работы реакторов на быстрых нейтронах (БР). Основные преимущества.
• 5. Препятствия на пути широкого применения БР.
• 6. Физическая сущность реакции УТС, способы и схемы её осуществления.
• 7. Основные препятствия на пути создания термоядерной электростанции.
• 8. Основные параметры ИТЭР.
• 9. Инерционный «термояд». Идеи, техническое воплощение.
• 10. Преимущества водорода как теплоносителя. Способы производства водорода.
• 11. «Дорожная карта» развития водородной энергетики.
• 12. Принцип работы МГД-генератора. Потенциальные преимущества.
• 13. Факторы, офаничивающие развитие МГД-гехнологии производства электроэнергии.