Магнитогидродинамический генератор, МГД-генератор — энергетическая установка, в которой энергия рабочего тела (электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется непосредственно в электрическую энергию.
Происхождение названия В МГД-генераторе происходит прямое преобразование механической энергии движущейся среды в электрическую энергию. Движение таких сред описывается магнитной гидродинамикой (МГД), что и дало наименование устройству.
Принцип действия Принцип работы МГД-генератора, как и обычного машинного генератора, основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В отличие от машинных генераторов проводником в МГД-генераторе является само рабочее тело.
Рабочее тело движется поперёк магнитного поля, и под действием магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков.
На заряженную частицу действует сила Лоренца.
Рабочим телом МГД-генератора могут служить следующие среды: электролиты; жидкие металлы; плазма (ионизированный газ).
Первые МГД-генераторы использовали в качестве рабочего тела электропроводные жидкости (электролиты). В настоящее время применяют плазму, в которой носителями зарядов являются в основном свободные электроны и положительные ионы. Под действием магнитного поля носители зарядов отклоняются от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля. При этом в сильном магнитном поле может возникать поле Холла (см. эффект Холла) — электрическое поле, образуемое в результате соударений и смещений заряженных частиц в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.
МГД-насос МГД-генераторы обладают свойством обратимости. При приложении к электродам электрического напряжения на электропроводящую среду будет действовать сила, как на проводник с током в магнитном поле. Эту силу можно использовать для перекачки токопроводящих жидкостей и газов.
Устройство МГД-генератор состоит из канала, по которому движется рабочее тело (обычно плазма), системы магнитов для создания магнитного поля и электродов, отводящих полученную энергию. В качестве магнитов могут быть использованы электромагниты или постоянные магниты, а также другие источники магнитного поля.
Газ способен проводить (см. электропроводность) электрический ток при нагреве до температуры термической ионизации, составляющей около . Для снижения этой температуры до 2200—2700 К в разогретый газ вводят присадки, содержащие щелочные металлы. Например, введение 1% калия в виде поташа позволяет увеличить электропроводность в десятки раз. Без присадок при температурах 2200—2700 К газ представляет собой низкотемпературную плазму и проводит ток хуже воды.
В отличие от МГД-генератора с жидким рабочим телом, где генерирование электроэнергии идёт только за счёт преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока при постоянной температуре, в МГД-генераторах с газовым рабочим телом принципиально возможны три режима: с сохранением температуры и уменьшением кинетической энергии; с сохранением кинетической энергии и уменьшением температуры; со снижением и температуры, и кинетической энергии.
Описание работы МГД-генератора: в камеру сгорания подаются топливо, окислитель и присадки; топливо сгорает и образуются продукты горения — газы; газы проходят через сопло, расширяются и увеличивают свою скорость до сверхзвуковой; газы поступают в камеру, через которую пропускается магнитное поле, и в стенках которой установлены электроды; заряженные частицы из ионизированного газа, оказавшись под влиянием магнитного поля, отклоняются от первоначальной траектории под действием силы Лоренца и устремляются к электродам; между электродами возникает электрический ток.
Классификация Классификация по продолжительности работыОлег Мамаев. Как из движения сделать электричество: МГД-генераторы // Наука и жизнь. — 2015. — № 8. — С. 72—80. — ISSN 0028-1263. — URL : с длительным временем работы; кратковременного действия: импульсные; взрывные.
Источниками тепла в МГД-генераторах могут быть: реактивные двигатели; ядерные реакторы; термоядерные реакторы; (см. ); теплообменные устройства.
В качестве рабочих тел в МГД-генераторах могут использоваться: продукты сгорания ископаемых топлив; инертные газы с присадками щелочных металлов (или их солей); пары щелочных металлов; двухфазные смеси паров и жидких щелочных металлов; жидкие металлы и электролиты.
По типу рабочего цикла различают МГД-генераторы: с открытым циклом. Рабочее тело (продукты сгорания) смешивается с присадками (щелочными металлами), проходит через рабочую камеру МГД-генератора, очищается от присадок и выбрасывается в атмосферу; с замкнутым циклом. Рабочее тело подаётся в теплообменник (получает тепловую энергию, возникшую при сжигании топлива), поступает в рабочую камеру МГД-генератора, проходит через компрессор и, замыкая цикл, возвращается в теплообменник.
По способу отвода электроэнергии различают МГД-генераторы: кондукционные — генерирующие постоянный или пульсирующий ток (в зависимости от величины изменения магнитного поля или скорости движения рабочего тела). В рабочем теле, протекающем через поперечное магнитное поле, возникает электрический ток. Ток замыкается на внешнюю цепь через съёмные электроды, вмонтированные в боковые стенки канала; индукционные — генерирующие переменный ток. В таких МГД-генераторах электроды отсутствуют, и требуется создание бегущего вдоль канала магнитного поля.
По форме каналы в МГД-генераторах могут быть: линейные (в кондукционных и индукционных генераторах); дисковые и коаксиальные холловские (в кондукционных генераторах); радиальные (в индукционных генераторах).
По конструкции и способу соединения электродов различают следующие МГД-генераторы: фарадеевский генератор. Электроды выполнены сплошными или разделены на секции. Разделение на секции выполняется для уменьшения циркуляции тока вдоль канала и через электроды (для уменьшения эффекта Холла). В результате носители заряда движутся перпендикулярно оси канала на электроды и в нагрузку. Чем значительнее эффект Холла, тем на большее число секций необходимо разделить электроды, причём каждая пара электродов должна иметь свою нагрузку, что весьма усложняет конструкцию установки; холловский генератор. Электроды расположены друг против друга и короткозамкнуты. Напряжение снимается вдоль канала за счёт наличия поля Холла. Применение таких МГД-генераторов наиболее выгодно при больших магнитных полях. За счёт наличия продольного электрического поля, можно получить значительное напряжение на выходе генератора; сериесный генератор. Электроды соединены диагонально.
Наибольшее распространение с 1970-х годов получили кондукционные линейные МГД-генераторы на продуктах сгорания ископаемых топлив с присадками щелочных металлов, работающие по открытому циклу.
История изобретения Впервые идея использования жидкого проводника была выдвинута Майклом Фарадеем в 1832 году. Он доказал, что в движущемся проводнике, находящемся под действием магнитного поля, возникает электрический ток. В 1832 году Фарадей с помощниками спустил с моста Ватерлоо в воду реки Темза два медных листа. Листы были подключены проводами к гальванометру. Ожидалось, что воды реки, текущей с запада на восток, — движущийся проводник и магнитное поле Земли создадут электрический ток, который зафиксируется гальванометром. Опыт не удался. К возможным причинам неудачи причисляют низкую электропроводность воды и малую величину напряженности магнитного поля Земли.
В дальнейшем, в 1851 году английскому учёному Волластону удалось измерить ЭДС, индуцированную приливными волнами в Ла-Манше, однако отсутствие необходимых знаний по электрофизическим свойствам жидкостей и газов долго тормозило использование описанных эффектов на практике.
В последующие годы исследования развивались по двум основным направлениям: использование эффекта индуцирования ЭДС для измерения скорости движущейся электропроводной среды (например, в расходомерах); генерирование электрической энергии.
Хотя первые патенты на генерирование электричества МГД-генератором с применением ионизированного газа энергии были выданы ещё в 1907—1910 годы, описанные в них конструкции были на практике нереализуемы. Тогда не существовало материалов, способных работать в газовой среде при температуре 2500—3000 °C.
Разработка МГД-генераторов стала возможной после создания теоретической и экспериментальной базы для изучения магнитной гидродинамики. Основные законы МГД были открыты в 1944 году шведским учёным Ханнесом Альвеном при изучении поведения космической плазмы (плазмы, заполняющей межзвёздное пространство) в магнитном поле.
Первый работающий МГД-генератор был построен только в 1950-х годах благодаря развитию теории магнитной гидродинамики и физики плазмы, исследованиям в области физики высоких температур и созданию к этому времени жаропрочных материалов, использовавшихся тогда прежде всего в ракетной технике.
Источником плазмы с температурой 3000 K в первом МГД-генераторе, построенном в США в 1959 году, служил плазмотрон, работавший на аргоне с присадкой щелочного металла для повышения степени ионизации газа. Мощность генератора составляла . К середине 1960-х годов мощность МГД-генераторов на продуктах сгорания удалось довести по («Марк-V», США).
В СССР первая лабораторная установка «У-02», работавшая на природном топливе, была создана в 1964 году. В 1971 году была запущена опытно-промышленная энергетическая установка «У-25» Института высоких температур РАН, имеющая расчётную мощность . «У-25» работала на продуктах сгорания природного газа с добавкой K2CO3 в качестве ионизирующейся присадки, температура потока — около 3000 К. Установка имела два контура: первичный, разомкнутый, в котором преобразование тепла продуктов сгорания в электрическую энергию происходит в МГД-генераторе; вторичный, замкнутый — паросиловой контур, использующий тепло продуктов сгорания вне канала МГД-генератора. Электрическое оборудование «У-25» состояло из МГД-генератора и инверторной установки, собранной на ртутных игнитронах. В 1992 году на базе опытно-промышленной площадки «У-25» была создана ТЭЦ-28, вошедшая в состав энергосистемы Москвы. В дальнейшем вошла в состав ТЭЦ-21.
В России промышленный МГД-генератор строился в Новомичуринске Рязанской области, где рядом с Рязанской ГРЭС была специально построена МГДЭС. Однако генератор так и не был запущен в эксплуатацию. С начала 1990-х годов работы были полностью свёрнуты, а МГД-электростанция, без МГД-генератора работающая как обычная тепловая электростанция, после нескольких преобразований в конце концов была присоединена к Рязанской ГРЭС.
В ходе геофизического эксперимента «Хибины» в середине 1970-х годов в СССР по электрозондированию земной коры использовался импульсный МГД-генератор с максимальной мощностью , силой тока и временем работы около .
Характеристики Мощность Мощность МГД-генератора пропорциональна проводимости рабочего тела, квадрату его скорости и квадрату напряжённости магнитного поля. Для газообразного рабочего тела в диапазоне температур 2000—3000 К проводимость пропорциональна температуре в 11-13-й степени и обратно пропорциональна корню квадратному из давления.
Скорость потока Скорость потока в МГД-генераторе может быть в широком диапазоне — от дозвуковой до гиперзвуковой, свыше 1900 м/сек.
Индукция магнитного поля Индукция магнитного поля определяется конструкцией магнитов и ограничивается значениями около для магнитов со сталью и до для сверхпроводящих магнитных систем.
Достоинства и недостатки Достоинства: отсутствие подвижных узлов и деталей (нет потерь на трение); возможность повысить КПД электростанций до (так как отработанный в МГД-генераторе газ пригоден для выработки электроэнергии традиционными методами);