Далеко не все альтернативные источники энергии на планете Земля до сих пор были изучены и успешно применены. Тем не менее человечество активно развивается в данном направлении и находит все новые варианты. Одним из них стало получение энергии из электролита, который находится в магнитном поле.
Заложенный эффект и происхождение названия
Первые труды на этом поприще приписываются еще Фарадею, работавшему в лабораторных условиях еще в 1832 году. Он исследовал так называемый магнитогидродинамический эффект, а точнее, искал электромагнитную движущую силу и пытался ее успешно применить. В качестве источника энергии использовалось течение реки Темза. Вместе с названием эффекта свое наименования получила и установка — магнитогидродинамический генератор.
В данном МГД-устройстве происходит прямое преобразование одного вида энергии в другой, а именно механической в электрическую. Особенности такого процесса и описание принципа его действия в целом подробно описываются в магнитной гидродинамике. В честь данной дисциплины и был назван сам генератор.
Описание действия эффекта
В первую очередь следует понять то, что происходит во время функционирования устройства. Только так можно осознать принцип работы магнитогидродинамического генератора в действии. Эффект построен на возникновении электрического поля и, конечно же, электрического тока в электролите. Последний представляется различными средами, к примеру, жидким металлом, плазмой (газом) или водой. Из этого можно заключить, что в основе принципа действия лежит электромагнитная индукция, использующая магнитное поле для выработки электричества.
Получается так, что проводник должен пересекаться с силовыми линиями поля. Это является, в свою очередь, обязательным условием для того, чтобы потоки ионов с противоположными относительно движущихся частиц зарядами начали возникать внутри устройства. Также важно отметить поведение силовых линий. Построенное из них магнитное поле движется внутри самого проводника в противоположную сторону от той, где находятся заряды ионов.
Определение и история МГД-генератора
Установка представляет из себя устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую. В ней полностью применяется вышеописанный эффект. При этом магнитогидродинамические генераторы в свое время считались достаточно новаторской и прорывной идеей, построение первых образцов которых занимало умы ведущих ученых двадцатого века. Вскоре финансирование таких проектов исчерпало себя по не совсем понятным причинам. Уже были возведены первые экспериментальные установки, однако на их использовании был поставлен крест.
Самые первые конструкции магнитодинамических генераторов описывались еще в 1907-910 годах, тем не менее они не могли быть созданы в силу ряда противоречащих физических и архитектурных особенностей. В качестве примера можно привести то, что еще не были созданы материалы, которые могли бы нормально функционировать при рабочих температурах в 2500-3000 градусов по Цельсию в газовой среде. Российская модель должна была появиться в специально построенном МГДЭС в городе Новомичуринске, который расположен в Рязанской области в непосредственной близости от ГРЭС. Проект был свернут в начале 1990-х годов.
Как работает устройство
Конструкция и принцип действия магнитогидродинамических генераторов по большей части повторяют таковые у обыкновенных машинных вариантов. В основе находится эффект электромагнитной индукции, а значит, возникает ток в проводнике. Это происходит за счет того, что последний пересекает силовые линии магнитного поля внутри устройства. Однако существует и одно отличие между машинными и МГД-генераторами. Оно заключается в том, что для магнитогидродинамических вариантов в качестве проводника используется непосредственно само рабочее тело.
В основе действия также находятся заряженные частицы, на которые действует сила Лоренца. Движение рабочего тела происходит поперек магнитного поля. Благодаря этому возникают потоки носителей зарядов с ровно противоположными направлениями. На этапе становления в МГД-генераторах применялись преимущественно электропроводные жидкости или электролиты. Именно они и являлись тем самым рабочим телом. Современные вариации перешли на плазму. Носителя зарядов для новых машин стали положительные ионы и свободные электроны.
Конструкция МГД-генераторов
Первый узел устройства называется каналом, по которому движется рабочее тело. В настоящее время в магнитогидродинамических генераторах в качестве основной среды применяется по большей части плазма. Следующий узел представляет из себя систему магнитов, которые отвечают за создание магнитного поля и электродов для отведения той энергии, которая будет получена в ходе рабочего процесса. При этом источники могут быть различными. В системе можно применять как электромагниты, так и постоянные магниты.
Далее газ проводит электрический ток и нагревается до температуры термической ионизации, которая составляет приблизительно 10 тысяч Кельвинов. После данный показатель непременно нужно снизить. Планка температуры падает до 2,2-2,7 тысячи Кельвинов за счет того, что в рабочую среду добавляются специальные присадки со щелочными металлами. В ином случае плазма не является в достаточной степени эффективной, потому как величина ее электропроводности становится значительно меньшей, чем у той же воды.
Типичный цикл работы устройства
Другие узлы, составляющие конструкцию магнитогидродинамического генератора, лучше всего перечислить вместе с описанием функциональных процессов в той последовательности, в которой они происходят.
- Камера сгорания принимает загружаемое в нее топливо. Также добавляются окислители и различные присадки.
- Топливо начинает гореть, что позволяет образоваться газу в качестве продукта сгорания.
- Далее задействуется сопло генератора. Через него газы проходят, после чего они расширяются, а их скорость возрастает до скорости звука.
- Действие доходит до камеры, пропускающей через себя магнитное поле. На ее стенках находятся специальные электроды. Именно сюда поступают газы на данном этапе цикла.
- Затем рабочее тело под влиянием заряженных частиц отклоняется от своей первичной траектории. Новое направление находится в точности там, где располагаются электроды.
- Завершающий этап. Происходит образование электрического тока между электродами. На это цикл заканчивается.
Основные классификации
Существует множество вариантов исполнения готового устройства, однако принцип работы будет фактически одинаковым в любом из них. К примеру, возможен запуск магнитогидродинамического генератора на твердом топливе вроде продуктов сгорания ископаемых. Также в качестве источника энергии применяются пары щелочных металлов и их двухфазные смеси с жидкими металлами. По продолжительности работы МГД-генераторы делятся на длительные и кратковременные, а последние — на импульсные и взрывные. Из источников тепла можно назвать ядерные реакторы, теплообменные устройства и реактивные двигатели.
Кроме того, есть также классификация по типу рабочего цикла. Здесь подразделение происходит лишь на два основных типа. Генераторы с открытым циклом имеют рабочее тело, смешанное с присадками. Продукты сгорания идут через рабочую камеру, где они в процессе очищаются от примесей и выбрасываются в атмосферу. В замкнутом цикле рабочее тело попадает в теплообменник и лишь после этого поступает в камеру генератора. Далее продукты сгорания ждет компрессор, который и заканчивает цикл. После этого рабочее тело возвращается на первый этап в теплообменник.
Главные характеристики
Если вопрос о том, что вырабатывает магнитогидродинамический генератор можно считать в полной мере освещенным, то следует представить основные технические параметры подобных устройств. Первым из них по значимости, вероятно, идет мощность. Она пропорциональна проводимости рабочего тела, а также квадратам напряженности магнитного поля и его скорости. Если рабочее тело представляет из себя плазму с температурой около 2-3 тысяч Кельвинов, то проводимость пропорциональна ей в 11-13 степени и обратно пропорциональна квадратному корню из давления.
Также следует привести данные о скорости потока и индукции магнитного поля. Первая из этих характеристик варьируется в довольно больших пределах, начиная от дозвуковых скоростей и заканчивая гиперзвуковыми вплоть до 1900 метров в секунду. Что же касается индукции магнитного поля, то она зависит от конструкции магнитов. Если они сделаны из стали, то верхняя планка установится на отметке в 2 Тл. Для системы, которая состоит из сверхпроводящих магнитов, это значение вырастает до 6-8 Тл.
Применение МГД-генераторов
Широкого использования таких устройств сегодня наблюдать не приходится. Тем не менее теоретически существует возможность строить электростанции с магнитогидродинамическими генераторами. Всего есть три допустимых вариации:
- Термоядерные электростанции. В них применяется безнейтронный цикл с МГД-генератором. В качестве топлива принято использовать плазму на высоких температурах.
- Тепловые электростанции. Используется открытый тип цикла, а сами установки по конструктивным особенностям являются достаточно простыми. Именно этот вариант все еще имеет перспективы к развитию.
- Атомные электростанции. Рабочее тело в данном случае — инертный газ. Он нагревается в ядерном реакторе по закрытому циклу. Также имеет перспективы к развитию. Однако возможность применения зависит от появления ядерных реакторов с температурой рабочего тела выше 2 тысяч Кельвинов.
Перспективность устройств
Актуальность магнитогидродинамических генераторов зависит от целого ряда факторов и нерешенных до сих пор проблем. В качестве примера можно привести способность таких устройств к выработке только постоянного тока, а значит для их обслуживания необходимо конструировать достаточно мощные и притом экономичные инверторы.
Другой видимой проблемой является отсутствие необходимых материалов, которые могли бы проработать достаточно длительное время в условиях разогрева топлива до запредельных температур. То же самое касается и электродов, применяемых в таких генераторах.
Другие варианты применения
Помимо функционирования в основе электростанций, данные устройства способны работать в специальных энергетических установках, что было бы весьма полезно для атомной энергетики. Применение магнитогидродинамического генератора допускается и в гиперзвуковых авиационных системах, однако каких-либо продвижений в данной области пока что наблюдать не приходится.
