Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) представляет собой энергетическую установку, в которой энергия рабочего тела (жидкой либо газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется конкретно в электрическую энергию. Наименование «магнитогидродинамический генератор» связано с тем, что область науки, изучающая сотрудничество между токопроводящими жидкостями и магнитным полем либо газами, именуется магнитогидродинамикой.
Принцип работы МГД-генератора основан на законе электромагнитной индукции, в соответствии с которому, в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуктируется ЭДС. Так как ЭДС индуктируется в любом проводнике – жёстком, жидком либо газообразном, допустимо практическое создание энергетической установки, в которой проводником есть само рабочее тело. Прямое (яркое) преобразование энергии образовывает основную изюминку МГД-генератора, отличающую его от генераторов электромашинных.
Рабочими телами МГД-генераторов могут служить электролиты, жидкие металлы и ионизованные газы. В современных МГД-генераторах рабочим телом в основном помогает газообразный проводник – плазма, носителями зарядов в котором являются по большей части положительные ионы и свободные электроны, отклоняющиеся в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля.
До недавнего времени были известны три состояния вещества: жёсткое, жидкое и газообразное. Газ считался электрически нейтральным, поскольку нейтральны атомы и складывающиеся из них молекулы. Заряд электронов в атомах абсолютно уравновешивается зарядом ядра. При нагреве газа в следствии интенсивного соударения атомов происходит выбивание внешних электронов. В случае, если отделить все электроны от ядер, то вещество будет пребывать в четвертом состоянии, именуемом высокотемпературной плазмой. На Земле это состояние вещества не видится, поскольку для его получения требуется температура порядка миллионов градусов и давление в десятки тысяч мегапаскаль. Высокотемпературная плазма содержится в глубинах Солнца.
Но в случае, если электролиты и жидкие металлы являются природными проводниками, то чтобы газ стал электропроводным, его нужно ионизовать до определённой степени, что осуществляется в большинстве случаев нагреванием до температур, достаточных для начала термической ионизации (большая часть газов ионизуется лишь при температуре около 10000°К). Нужная степень ионизации при меньших температурах достигается обогащением газа парами щелочных металлов. При введении в продукты сгорания щелочных металлов (к примеру, ) либо их солей газы становятся проводниками уже при 2200-2700°К.
Схема несложного МГД-генератора представлена на рис. 5.2.
Рисунок 5.2 – Несложная схема энергетической установки с магнитогидродинамическим генератором:
1 – обмотка электромагнита; 2 – камера сгорания; 3 – присадка; 4 – воздушное пространство; 5 – горючее; 6 – сопло; 7 – электроды с последовательно включенной нагрузкой; 8 – выход продуктов сгорания
МГД-генератор складывается из канала, по которому движется рабочее тело (в большинстве случаев плазма), электромагнитной совокупности для устройств и магнитного поля для отвода электричества (электродов) с включенной нагрузкой.
Энергетические установки с МГД-генераторами смогут трудиться по открытому и замкнутому циклам. В первом случае продукты сгорания являются рабочим телом, а использованные газы по окончании удаления из них присадки щелочных металлов выбрасываются в воздух.
В МГД-генераторах замкнутого цикла тепловая энергия, полученная при сжигании горючего, передаётся в теплообменнике рабочему телу, которое после этого, пройдя МГД- генератор, возвращается, замыкая цикл, через компрессор либо насос. Источниками тепла могут служить реактивные двигатели, ядерные реакторы, теплообменные устройства.
Главное преимущество МГД-генератора пребывает в отсутствии в нём движущихся узлов либо подробностей, конкретно участвующих в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Это разрешает значительно увеличить начальную температуру рабочего тела и, следовательно, КПД электростанции. В случае, если по окончании МГД-генератора поставить простой турбоагрегат, то неспециализированный большой КПД таковой энергетической установки достигнет 55-60%.
Отличительной изюминкой МГД-генераторов есть кроме этого возможность получения громадных мощностей в одном агрегате – 500-1000 МВт и сочетания их с паросиловыми блоками такой же мощности.
Сложности в создании МГД-генераторов пребывают в получении материалов нужной прочности. На данный момент ведутся кроме этого поиски газа с наилучшими особенностями. Гелий с маленькой добавкой цезия при температуре 2000°С имеет однообразную проводимость с продуктами сгорания минерального горючего при температуре 2500°С. Создан проект МГД-генератора, трудящегося по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно циркулирует в совокупности.
Для работы МГД-генератора нужно создавать сильное магнитное поле, которое возможно получено пропусканием огромных токов по обмоткам. Чтобы не было потерь энергии и сильного нагрева обмоток в них сопротивление обмоток должно быть по возможности мельчайшим. Исходя из этого в качестве таких проводников целесообразно применять сверхпроводящие материалы.
Перспективны МГД-генераторы с ядерными реакторами, применяемыми для нагревания газов и их термической ионизации. Трудности создания МГД-генератора с ядерным реактором пребывают в том, что современные тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ), которые содержат уран и покрытые окисью магния, допускают температуру, не на довольно много превышающую 600°С.
Возможно сохранять надежду, что по мере совершенствования реакторных совокупностей их температуру возможно будет расширить до нужных размеров (около 2000°С).
Вопросам создания действенных МГД-установок уделяется громадное внимание во многих развитых государствах. В РФ с 1972 г. функционирует МГД-установка мощностью 250 МВт на газе.
Эксплуатируются пара экспериментальных МГД-установок на угле, любая мощностью 5-10 МВт. МГД-генераторы на жёстком горючем особенно интенсивно изучаются в Соединенных Штатах. Ведутся опыты на нескольких установках мощностью 10-30 МВт, на которых сжигается уголь.