Рассказать друзьям
Физика 8 сентября 2011

Энергетические возможности МГД эффекта

Актуальность

Природа нам приготовила несметное количество электроэнергии. Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии [1]. Пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной. Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива, использование которого к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии, например энергии в Мировом океане. Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. Кроме этого, морская вода – природный электролит и содержит в 1 л несметное количество разных ионов, к примеру, положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора. Заманчивой становится перспектива – поставить такое устройство в природный нескончаемый поток естественных морских течений и получать в результате недорогую электроэнергию из морской воды и передавать ее на берег. Одним из таких устройств может стать генератор, в котором используется магнитогидродинамический эффект. Это и стало темой исследования: “Энергетические возможности магнитогидродинамического эффекта”.

Целью исследования является описание, демонстрация и возможности использования магнитогидродинамического эффекта. Объектом исследования является: движение заряженных частиц в магнитном поле. Предмет исследования: магнитогидродинамический эффект, магнитогидродинамический генератор.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Провести историко–логический анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации.
2. Выявить физические законы, принципы, которые объясняют, в чем заключается магнитогидродинамический эффект.
3. Выявление возможностей использования МГД–эффекта в качестве энергетического ресурса.
4. Изготовить модель, демонстрирующую магнитогидродинамический эффект.

Для наиболее эффективного решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: изучение источников информации, анализ, метод обобщений, эксперимент.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Магнитогидродинамический эффект [2] — возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы или ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства — магнитогидродинамические генераторы (МГД–генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

МГД–генератор – это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую. Еще в 1832 году Майкл Фарадей [3] пытался обнаружить ЭДС между электродами, опущенными в реку Темзу (в потоке речной воды есть ионы растворённых солей, движущиеся в магнитном поле Земли), но чувствительность измерительных приборов была слишком мала, чтобы обнаружить ЭДС. А в 1970–80– е годы возлагались большие надежды на создание промышленных МГД–генераторов, использующих плазму (поток ионизированного газа), велись многочисленные разработки, строились экспериментальные МГД–генераторы, но постепенно всё затихло.

Достаточно подробно о принципе работы МГД–генераторов рассказывается в одном из выпусков журнала “Двигатель” [4].
С одной стороны, МГД – генераторы имеют широкие возможности применения, с другой стороны, они не очень распространены. Попробуем разобраться в этом вопросе. Изучив соответствующую литературу [5, 6, 7], мы составили список преимуществ и недостатков МГД–генераторов.

Преимущества МГД–генераторов

* Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку
* В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение.
* Рассматриваемые генераторы являются объемными машинами – в них протекают объемные процессы. С увеличением объема уменьшается роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема, а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.
* При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.
* Большой успех в технической отработке использования МГД – генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД – ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины – 65%
* Высокая маневренность

Недостатки МГД–генераторов

* Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 – 2000 м/с
* Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.
* Среда в МГД-генераторе с открытым циклом – химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом – хотя и химически неактивные инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий)
* Рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов – общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны.
* Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.
* При температуре газа ниже 2000° С в нем остается так мало свободных электронов, что для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло, поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а образовавшийся пар подается в паровую турбину.
* На данный момент наиболее широко изучены и разработаны плазменные МГД-генераторы. Информации о МГД-генераторах, использующих в качестве рабочего тела морскую воду, не найдено.


Из этого списка видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Эти трудности решаются многими остроумными способами.

В целом этап концептуальных поисков в области МГД–генераторов в основном пройден. Еще в шестидесятых годах прошлого века были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инженерный опыт позволили российским ученым в 1965 г. ввести в действие комплексную модельную энергетическую установку “У–02”, работавшую на природном топливе. Несколько позднее было начато проектирование опытно–промышленной МГД–установки “У–25”, которое проводилось одновременно с исследовательскими работами на “У–02”. Успешный пуск этой первой опытно–промышленной энергетической установки, имевшей расчетную мощность 25 МВт, состоялся в 1971 г.

В настоящее время на Рязанской ГРЭС используется головной МГД–энергоблок 500 МВт, включающий МГД–генератор мощностью около 300 МВт и паротурбинную часть мощностью 315 МВт с турбиной К–300–240. При установленной мощности свыше 610 МВт выдача мощности МГД–энергоблока в систему составляет 500 МВт за счет значительного расхода энергии на собственные нужды в МГД–части. Коэффициент полезного действия МГД–500 превышает 45 %, удельный расход условного топлива составит примерно 270 г/(кВт–ч). Головной МГД–энергоблок запроектирован на использование природного газа, в дальнейшем предполагается переход на твердое топливо. Исследования и разработки МГД–генераторов широко развёрнуты в США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах. В США эксплуатируется опытная МГД–установка на угле тепловой мощностью 50 МВт. Все перечисленные МГД–генераторы используют плазму в качестве рабочего тела. Хотя, на наш взгляд, можно использовать в качестве электролита и морскую воду. В качестве примера нами проделан эксперимент, демонстрирующий МГД–эффект. Для того, чтобы продемонстрировать энергетические возможности МГД–генератора изготовлена лодка на МГД приводе.


ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Продемонстрировать МГД–эффект можно используя следующий набор материалов:
1. Магнит;
2. Соль;
3. Перец;
4. Батарейка;
5. Медные провода.

Ход работы:
1. Делаем водный раствор соли и добавляем перец. Это необходимо для того, чтобы было видно движение потоков жидкости.
2. Ставим небольшой сосуд с приготовленным раствором на магнит.
3. Опускаем концы медной проволоки, присоединенные другими концами к полюсам батарейки, в приготовленный раствор (фото 1).
4. Наблюдаем движение потоков жидкости между концами медной проволоки.

Фото 1

Объяснение: Раствор соли является проводником электрического тока – электролит. Электролит будет двигаться в магнитном поле, под действием силы Лоренца. В этом и заключается МГД–эффект.

Используя явление МГД–эффекта, была изготовлена лодка на МГД–приводе [8]. Используемые материалы представлены на фото 2, готовая лодка на фото 3 и 4.

Фото 2

Фото 3, 4


Лодка будет перемещаться за счет движения электролита в магнитном поле.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что МГД–электричество, несмотря на все трудности, придет на службу человеку и люди научатся использовать в полной мере энергию океана. Ведь это просто необходимо современному человечеству, потому что запасы ископаемого топлива по расчетам ученых заканчиваются буквально на глазах у ныне живущих обитателей планеты Земля!


Литература

1. Володин В., Хазановская П. Энергия, век двадцать первый.– М.: Детская литература, 1989.– 142 с.
2. http://ru.wikipedia.org/ – свободная энциклопедия
3. http://www.naukadv.ru – сайт “Физика машин”
4. Касьян А. Напряжение плазменного смерча или просто – о МГД–генераторе //Двигатель, 2005, № 6
5. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – Махачкала: Издательско–полиграфическое объединение “Юпитер”, 1996
6. Ашкинази Л. МГД–генератор //Квант, 1980, № 11, С. 2–8
7. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы. – Москва: Знание, 1990 – 128 с.
8. http://how-make.ru – Сайт для любителей мастерить своими руками.


Работу выполнила:

Володенок Анастасия Викторовна, ученица 10 класса

Руководитель:

Филатова Надежда Олеговна, к.п.н., учитель физики

МОУ Сибирский лицей
г. Томск

Комментарии ( 11 )
  • Administrator 8 сентября 2011, 10:44
    Работа, к сожалению, расплывчата. Вначале много про МГД генераторы, и кажется, что вы сделаете какой–то стенд для иллюстрации их работы. Потом перескочили на МГД эффект (по сути, обратную задачу). Сделали лодку. Хорошо, она поплыла? И насколько успешно?
  • Филатова Надежда 9 сентября 2011, 05:37
    Стенд для иллюстрации работы – хорошая идея. Практически изготовить модель МГД–генератора по техническим причинам не удалось. Но так как принцип действия основан на МГД–эффекте, именно эффект и был продемонстрирован. Лодка поплыла, но очень медленно.
  • 0lympian 9 сентября 2011, 14:46
    Согласен с Александром. Заголовок весьма заинтересовал, но статья хоть и интересная, все же несколько разочаровала.

    С первых строк напрягло "масло масляное":
    "Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии [1]. "

    Второе. С легкой руки назвали энергию течений безвредным и неограниченным источником. Это все очень далеко от реальности, т. к. от этой энергии зависят, собственно, сами приливные массы. И если ее использовать в промышленных масштабах это приведет к тому, что она будет гаситься на энерговырабатывающих установках. То же самое произошло с использованием энергии рек: поблизости с ГЭС происходят перераспределения биом (болота высыхают, некоторые области наоборот – затапливаются), что в свою очередь ведет к соответствующим изменениям в биологических аспектах.

    То же самое будет и при создании значительного сопротивления океаническим течениям (если предположить возможность строительства таких установок в будущем): они непременно перераспределятся в большей или меньшей степени, что будет оказывать влияние уже на климатические факторы.

    Так, ну на самом деле что–то я много критики развел, это касалось только вступления. В целом было интересно, хотя и не полностью оправдало ожидания касательно МГД–генератора. Поэтому для раскрытия темы, мне кажется, хорошо было бы продолжить исследование. Возможно, попробовать собрать простейшую модель генератора (чисто из иллюстративных соображений) и увидеть, что она генерирует с помощью измерительных приборов.
  • Administrator 9 сентября 2011, 19:18
    Еще один наводящий вопрос: из чего сделана лодка и какова примерно ее масса?
  • Филатова Надежда 10 сентября 2011, 06:23
    Лодка сделана из пенопласта. Масса грамм 100–200.
  • Алексей 11 сентября 2011, 13:23
    Да–а..., казалось бы, чего проще – утопи на дне Гольфстрима здоровый магнит, поставь на берегах пару электродов и качей энергию задарама... Но, как известно, "бесплатный сыр бывает только в мышеловке"
    Не лезте, ребята, в Мировой океан – он и без вас нашими общими усилиями искалечен. Есть и получше проект – газопровод от Солнца до Земли (благо газопроводы уж мы строить умеем!) и знай качай даровую плазму в МГД–генератор. Вот счастье–то будет! На худой конец, можно и от Юпитера так качать метан хоть в Северный поток, и скважит бурить не надо, да и нанотехнологии отдыхают!
    Насколько я понимаю, суть проблемы "даровой" энергии не в идеях (их множество!), а в решении бесчисленных технико–экономических задач, так что пока остаётся только отделываться шуточками.
    Проф. А. Ф. Бочков
  • Administrator 11 сентября 2011, 15:23
    Лодка сделана из пенопласта. Масса грамм 100–200.

    Тяжеловато для такого типа двигателя (вы и сами это увидели).
  • Dmitry Kovalevsky 12 сентября 2011, 12:38
    Я так понимаю это применимо только для океана. Во вторых непонятен последний абзац:
    Мы можем использовать электрический движитель. Однако на это мы будем затрачивать энергию. Будем делать приливные электростанции, но при чём тут корабли. Опять же откуда уверенность что тут кпд выше? В принципе электростанция поставленная на пути течения это хорошо, но аккумуляторов нет таких чтобы суда плавали на них. И как движитель этот эффект совсем не факт что лучше винта. Предлагаю сделать эксперимент в котором солёная вода течёт сверху вниз и вырабатывает электричество. Это будет гораздо нагляднее.
  • Максим 29 сентября 2011, 16:30
    Идея красивая и интересная! Но в работе не проделаны оценки! Не понятно на какие параметры рассчитывать. Предполагаю, что кораблик не поплыл из–за того, что не было сделано должных оценок. Все формулы давно содержатся в учебниках по физике сплошных сред. Для их применения не надо знать ничего кроме элементарной математики. Какой нужен магнит, чтобы кораблик поплыл? Какова мощность источника постоянного напряжения? Единственное, что понятно – это размер электродов. Из фото видно, что расстояние между ними порядка размера самих электродов. Эти вопросы в первую очередь к руководителю работы.
  • Vladimir 4 января 2012, 14:06
    Предположу что лодка не поплыла из за неправильного взаимного расположения магнита и электродов.
    Магнит вроде намагничен поперечно что видно на фото 2
    тогда осевой тяги не могло быть в принципе...
  • Molchun12 30 сентября 2012, 09:54
    В модели лодки не учтено, что силовые линии магнита, выходя из полюса, поворачиваются к противоположному полюсу. Из-за высоких электродов ток взаимодействует как с вертикальным магнитным полем (желательным), так и с нежелательным. Еще следует отметить, что само движение электролита в магнитном поле приводит к поляризации электродов МГД генерацией, напряжение которой сравнимо с приложенным напряжением батарейки.
    А что стоило пропустить электролит между электродами лодочки и померять полученные напряжение и ток?
    И еще, смею Вас заверить, анализ процессов, происходящих при протекании электролита в магнитном поле, позволяет создать движитель без батарейки. Достаточно устранить нежелательную МГД-генерацию. Ну и кое-что еще...
    Именно такой подход позволит получать электрическую энергию, используя тепловую энергию. В указанных Вами устройствах в электрическую энергию превращается в большей мере кинетическая энергия.
Ваш комментарий
 
Кому:
Ваше имя:
Ваш e-mail:
Комментарий:
 
  гостевые комментарии проверяются модератором