МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ (МГД-ГЕНЕРАТОРЫ).

МГД-генератор - энергетическое устройство, в котором энергия рабочего тела (жидкой или газообразной среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется непосредственно (напрямую) в электрическую энергию.

Также как и в обычных машинных генераторах, принцип работы МГД- генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Но, в отличие от машинных генераторов , в МГД-генераторе проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперек магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей разноименных зарядов. Рабочим телом МГД - генератора могут служить следующие среды:

а)электролиты, б)жидкие металлы, в) плазма.

В настоящее время в качестве рабочего тела применяют плазму, в которой носителями зарядов являются свободные электроны и положительно заряженные ионы, отклоняющиеся в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля.

Согласно закона Фарадея, в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС.

(12- 5)

При этом проводник может быть твердым, жидким или газообразным. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими средами, называется магнитогидродинамикой .

МГД – генератор(рис.154) состоит из канала, по которому движется рабочее тело, системы электромагнитов для создания магнитного поля и электродов, отводящих полученную энергию. В рассматриваемой схеме между металлическими пластинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, 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.

Рис.154 Схема работы МГД-генератора

Если какой-либо газ нагреть до высокой температуры (~3000⁰С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводящее вещество (плазму), то при последующем расширении плазмы в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Между металлическими пластинами, помещенными в сильное магнитное поле, пропускается струя ионизированного газа (плазма). Скорость движения частиц – v. На электродах появляются избыточные заряды, что эквивалентно созданию на электродах ЭДС – индукции. При замыкании электродов на нагрузку по ней пойдет электрический ток. Причем, этот ток пропорционален

. (12-6)

Мощность МГД-генератора пропорциональна проводимости рабочего тела, квадрату его скорости и квадрату напряженности магнитного поля, т.е. P≈jV²B². В свою очередь для газообразного рабочего тела в диапозоне температур 2000-3000С проводимость j ~ т¹¹/р, где р- давление газа. Скорость потока плазменных частиц может изменяться в широких пределах от дозвуковых до сверхзвуковых. Индукция магнитного поля B=µ µ₀ H определяется конструкцией магнитов и ограничивается значениями около 2тл=2000гс для магнитов со сталью и 6-8тл для сверхпроводящих магнитных систем.

Теоретически, существуют три направления промышленного применения МГД-генераторов:

1. тепловые электростанции с МГД-генератором на продуктах сгорания топлива (открытый цикл). Такие установки наиболее просты. Основное достоинство МГД- генератора состоит в отсутствии в нем движущихся узлов и деталей, что позволяет существенно повысить температуру плазмы и его КПД. Если после МГД- генератора поставить еще обычный турбогенератор, то КПД такой установки удается повысить до 50-60% (рис. ).

2. термоядерные электростанции безнейтронного цикла с МГД-генератором на высокотемпературной плазме.

3. циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые перспективны для атомной энергетики и для энергетических установок небольшой мощности.

Рис.155 Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой: 1-камера сгорания, 2-теплообменник, 3- МГД-генератор, 4- обмотка электромагнита, 5- парогенератор, 6- турбина, 7- генератор,8- конденсатор, 9-насос.

В камере сгорания сжигается топливо (рис.155) (дрова, уголь, нефть и т.д.), получаемые при этом продукты в плазменном состоянии направляются в канал МГД-генератора. Сильное магнитное поле создается мощными электромагнитами. Температура плазмы в канале генератора не ниже 2000⁰С, а в камере сгорания 2500-2800⁰С. При температурах в канале генератора ниже 2000⁰С сильно снижается электропроводность плазмы и магнитогидродинамический эффект практически исчезает.

Энергетические установки с МГД -генератором могут применятся, также как резервные или аварийные источники энергии, для бортовых систем питания космической техники. Несмотря на заманчивые перспективы и бурное развитие исследований в области МГД-генераторов устройства на их основе пока не нашли широкого промышленного применения.

Проблемы:

1. Материалы в канале МГД- генератора должны выдерживать температуры до 3000⁰С и агрессивные среды. При этом должны работать продолжительное время. Так, если для нужд ракетной техники такие материалы найдены, но они работают всего несколько минут, в то же время для энергетической установки материалы должны работать хотя бы несколько месяцев. Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Так, например, вольфрамовая нить в электрической лампе при температуре 2500-2800⁰С может работать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, то при нарушении вакуума из- за влияния агрессивной среды эта нить сгорает за доли секунды.

Графит и окись магния подходят по ряду параметров ( жаростойкие и химически инертные), но эти материалы очень чувствительны к механическим напряжениям (механически не прочны).

1. Для работы МГД- генераторов необходимы сильные магнитные поля, которые можно получить огромные токи по обмотке. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможности наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие материалы. Но здесь опять большие проблемы.

7. ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В металлах содержится большое количество свободных электронов - около 6 10²¹ в 1см³.Внутри металла силы притяжения, действующие на электрон со стороны положительно заряженных ионов - сбалансированы . Если же электрон окажется вблизи поверхности , то на него начинают действовать силы, старающиеся вернуть электрон внутрь металла. Для преодоления этих сил необходимо сообщить электрону избыточную кинетическую энергию (рис.156). Увеличение кинетической энергии электрона возможно при нагревании металла. Явление выхода электронов из металла в результате его нагрева называется явлением термоэлектронной эмиссии.

Рис. 156 Возникновение результирующих сил, действующих на электрон в металле и вблизи его поверхности

Устройство простейшего термоэмиссионного генератора представлено следующим рисунком (рис.157).

Рис. 157 Устройство термоэмисионного преобразователя энергии

Электроны испаряются при нагреве из катода (1), вылетают из металла и движутся к аноду - и далее во внешнюю цепь, обеспечивая ток на нагрузке R. При этом часть тепловой энергии, расходуемой на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а другая часть энергии электронов выделяется во внешней цепи при протекании электрического тока. Чем меньше температура анода по сравнению с температурой катода, тем большая часть тепловой энергии превращается в электрическую. Если бы температуры катода и анода были одинаковыми, то преобразования энергии не было бы.

В энергетических термоэмиссионных генераторах для нагревания катода можно воспользоваться теплотой, получаемой в результате ядерной реакции.Схема ядерного термоэмиссионного генератора приведена на нижеследующим рис.158).

Рис. 158 1-защита, 2-охладитель, 3- анод, 4- вакуум,5 –катод, 6-ядерное горючее.

Т.е. для нагревания катода используется теплота, выделяемая при ядерной реакции. КПД таких преобразователей достигает примерно 20%. По прогнозам его можно довести до 40-50%.

Следует отметить, что при естественной радиоактивности возможно прямое преобразование ядерной энергии в энергию электрическую. Для этого используются β – лучи или поток электронов при распаде радиоактивных элементов (рис.159)

Рис.159 Схема прямого преобразования энергии радиации в электрическую: 1 – β – радиоактивный излучатель; 2 – металлическая ампула (анод); 3 – металлический сосуд.

8. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Большинство возобновляемых видов энергии – гидроэнергия, энергия мирового океана, ветровая и геотермальная энергия – характеризуются либо ограниченным потенциалом, либо значительными трудностями широкого использования. Существует еще один возобновляемый источник Солнце.

Солнце, звезда – желтый карлик, средняя звезда по своим характеристикам: массе, радиусу, температуре. Но эта звезда имеет уникальную особенность – это «наша звезда», и человечество обязано всем своим существованием этой средней звезде. Наше светило поставляет за Землю мощность 10¹⁷Вт – такова сила «солнечного зайчика» диаметром 127 000км, который освещает обращенную к Солнцу сторону нашей планеты. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнцев зените, составляет 1КВт/м².

Для крупномасштабной электроэнергетики энергия Солнца, в настоящее время, едва ли пригодна:

1. Из-за малой удельной мощности солнечной радиации,
2. Из-за использования больших площадей земной поверхности,
3. Из-за дороговизны и больших материальных и трудовых затрат. ( стоимость 1КВт мощности с использованием солнечной энергии по грубым прикидкам порядка 10 000руб, в то же время с использованием ГЭС – 350руб, с использованием ТЭС – 200 руб.).

Главными направлениями работ в области преобразования солнечной энергии в настоящее время являются:

1. - прямой тепловой нагрев (получение тепловой энергии) и термодинамическое преобразование (получение электрической энергии с промежуточным преобразованием солнечной энергии в тепловую);

2. - фотоэлектрическое (прямое) преобразование солнечной энергии в электрическую.

Тепловой нагрев является наиболее простым методом преобразования и широко используется в южных районах России в установках солнечного отопления, снабжения горячей водой, охлаждения зданий, опреснения воды и т.д. Концентрация солнечной энергии осуществляется на гелиоприемнике с помощью плоских , сферических или параболлоидных зеркал. Вода или другая жидкость, находясь в контакте с поглотителем солнечной радиации, нагревается и при помощи насоса или естественной циркуляции отводится от него. Затем нагретая жидкость поступает в хранилище, откуда ее потребляют по мере необходимости. Подобное устройство напоминает системы горячего водоснабжения.

В солнечных элементах используется явление фотоэффекта, т.е. вырывание электронов из того или иного материала под действием света. Различают внешний и внутренний фотоэффект.

При внешнем фотоэффекте (рис.160), свет проникает в вакуумированный сосуд и освещает катод К, изготовленный из металла. Фотоны света выбивают из металла «связанные» электроны. В пространстве К-А появляются носители электрического заряда. Под действием электрического поля эти электроны перемещаются и попадают на анод. В результате электрического замыкания промежутка К-А во внешней цепи появляется электрический ток (фототок), который фиксируется гальванометром G или микроамперметром.

Рис.160 Схема для исследования зависимости фототока от напряжения и силв света

Согласно теории Эйнштейна фотоэффект объясняется следующим уравнением

(12-7)

где h=6,6 10^-34Дж с – постоянная Планка.

При внешнем фотоэффекте электроны из металла вырываются и переходят в другую среду, в частности в вакуум. Кроме этого существует и внутренний фотоэффект, при котором в отличие от внешнего, оптически возбужденные электроны остаются внутри освещаемого тела. При этом в веществе изменяется концентрация носителей заряда или их подвижность, что приводит к изменению электропроводности вещества под действием света. Внутренний фотоэффект наблюдается только в полупроводниках и диэлектриках. На основе этого явления работают материалы, называемые фоторезисторами. В качестве фоторезисторов используются соединения кадмия (Cd) или свинца (Pb) с селеном (CdSe,PbSe) или серой (S) (СdS или PbS). Основу фотоэлемента с внутренним фотоэффектом составляет полупроводниковая структура с p-n переходом, возникающая на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Получают различные типы проводимости путем введения в полупроводник примесей. Так введенные в кристаллическую решетку кремния атомов (Ga,In) придают кремнию дырочную проводимость, а примеси (As, Sb) – обеспечивают в кремнии электронную проводимость. Контакт p- или n- полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля. Возникновение контактной разности потенциалов обусловлено тем, что в силу односторонней проводимости полупроводников происходит пространственное разделение электронов и дырок. В монокристалле кремния возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот. В результате такого процесса прилегающая к p-n переходу p-типа заряжается отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретает положительный заряд. Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который в дальнейшем препятствует процессу диффузии электронов и дырок.

При освещении полупроводника светом возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоЭДС необходимо, чтобы полупроводник был неоднородным. Наиболее эффективное разделение имеет место в области p-n перехода (см. рис.161). Генерированные вблизи p-n перехода «неосновные» носители (дырки в n-проводнике и электроны в p-проводнике) диффундируют к p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, где они становятся основными носителями. В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и p- областями возникает разность потенциалов – фотоЭДС.

Рис. 161 Схема работы солнечного фотоэлемента.

Электроны и дырки концентрируются на разных концах неоднородного полупроводника, вследствие чего и возникает ЭДС, благодаря которой на внешней нагрузке возникает электрический ток. Таким образом, достигается прямое преобразование световой энергии в электрическую.

Основные промышленно выпускаемые типы таких фотоприемников работают на основе селена, кремния, германия и ряда соединений – GaAs, InSb,CdTe . Фотогальванические элементы, используемые для преобразования солнечной энергии в электрическую, приобрели широкое применение в космических аппаратах как источники бортового питания. Они обладают относительно высоким КПД (до 20%), весьма удобны в условиях автономного полета космических аппаратов. Для повышения рабочего напряжения (с исходным напряжением отдельного элемента 1-2В) отдельные элементы соединяются последовательно в батарею.

Солнечную энергию из- за низкой плотности солнечной радиации и зависимости от состояния атмосферы (облачности) и времени года использовать затруднительно. Но возможно создание солнечных станций на искусственных спутниках (рис. 162 ). В этом случае солнечная энергия может аккумулироваться в течение 24 часов и, следовательно, не будет зависеть от облачности. Передача энергии на Землю должна в этом случае осуществляться по каналу УКВ (длина волны порядка 10см, частота ≈ 3000Мгц). Приемная антенна на Земле будет принимать этот пучок энергии, и затем энергия может быть преобразована в энергию промышленной частоты

Рис.162 Принципиальная схема СКЭС

9. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Химический источник тока (генератор) – это устройство, в котором химическая энергия напрямую превращается в электрическую. Основой работы химического генератора является химическая реакция взаимодействия окислителя и восстановителя. В процессе взаимодействия окислитель восстанавливаясь присоединяет электроны, а восстановитель, окисляясь отдает электроны.

Рассмотрим явления, происходящие при опускании цинкового (Zn) электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO₄). Молекулы воды (H₂O) стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (см. рис.163). В результате действия электростатических сил положительные

Рис. 163 Расположение электрических зарядов вблизи цинкового электрода.

ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу способствует большой дипольный момент молекул воды. По мере перехода положительных ионов металла в раствор появляется и увеличивается отрицательный потенциал на цинковом электроде, препятствующий дальнейшему растворению цинкового электрода. При некотором потенциале электрода наступает динамическое равновесие, т.е. два встречных потока ионов ( от электрода в раствор и обратно) становятся одинаковыми. Этот потенциал называют электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.