Принципы осуществления многих методов непосредственного получения электроэнергии известны уже давно, однако возможность практического решения этой проблемы особенно возросла в последние годы в связи с громадными достижениями современной науки и техники.
Важнейшее преимущество некоторых новых методов получения электроэнергии состоит в том, что могут быть получены очень высокие к. п. д., достигающие 50—60%.
Основными методами превращения тепловой или химической энергии в электрическую без применения промежуточных агрегатов с вращающимися частями являются:
-
магнито-гидродинамический (МГД),
-
термоэлектрический,
-
термоионный (термоэлектронный),
-
использование топливных элементов.
В качестве источников тепла могут служить обычные виды топлива, а также ядерное и термоядерное горючее. При использовании МГД метода возможно сочетание непосредственной генерации электроэнергии в МГД генераторе с выработкой ее в обычных генераторах, работающих с паровой или газовой турбиной. Такая комбинированная система представляет особый интерес.
Плазменная лаборатория колледжа Брин-Мор (Филадельфия, США)
Идея метода состоит в замене движущихся в магнитном поле металлических проводников потоком ионизированного газа, обладающего достаточной проводимостью и проходящего с большой скоростью через канал, помещенный в магнитное поле.
Термическая ионизация газа происходит при температуре порядка 2000 — 3 000° С. Поток ионизированного газа проходит через сопло, вокруг которого создается магнитное поле, перпендикулярное (в простейшем варианте) направлению потока.
В направлении, поперечном к потоку, в соответствии с законом Фарадея возникает разность потенциалов, так что с помощью помещенных в поток электродов можно снимать во внешнюю цепь электрический ток.
Эти электроды выполняют роль щеток в обычных генераторах. Так как э. д. с. возникает поперек «потока проводящего газа, то электроды должны располагаться вдоль потока и могут иметь значительную длину.
В апреле 1959 г. в Лаборатории Эверетт фирмы Эвко Корнорейшен (США) впервые была продемонстрирована работа МГД генератора мощностью 1 кВт. К маю мощность установки была увеличена до 5 кВт, а в августе превысила 10 кВт.
Вскоре для исследования проблем, связанных с разработкой МГД генераторов, были созданы фирмами Дженерал Электрик и Вестингауз экспериментальные МГД генераторы на продуктах сгорания обычного топлива.
Длительность непрерывной работы этих генераторов очень мала: она лежит в пределах от нескольких секунд до 4 мин, однако этого времени оказалось достаточно для определения важнейших характеристик МГД процесса генерирования электроэнергии.
Непродолжительное время действия экспериментальных установок обусловлено разрушением конструкционных материалов и в некоторых случаях ограниченным временем подачи ионизированных газов.
В апреле 1961 г. в Институте турбин Польской академии наук был испытан МГД генератор мощностью около 8 кВт, который непрерывно проработал около часа.
В начале 1961 г. в лабораториях Эвко Эверетт был испытан новый МГД генератор (Mark II) мощностью 205 кВт, работающий от жидкостно-реактивного двигателя на смеси керосина или спирта с кислородом.
Для повышения степени ионизации в струю газов (продуктов сгорания) добавлялся измельченный поташ. Длительность непрерывной работы генератора составляла немногим более одной минуты. В дальнейшем предполагается повысить мощность этого генератора до 500 кВт.
Создание МГД генераторов, пригодных для длительной работы связано с проблемой высокотемпературных материалов.
Возможность достижения высокого к. п. д. электростанций (около 55%) при стоимости киловатта установленной мощности, не превышающей стоимости на современных тепловых электростанциях, настолько заманчива, что десять ведущих энергетических компаний США объединились для финансирования исследовательских работ по МГД генераторам.
Целью намеченной программы работ являлось определение возможности практического осуществления и основных показателей двух схем энергетических установок с МГД генераторами: открытой при работе на угле и замкнутой с использованием тепла, вырабатываемого в ядерном реакторе. Мощность каждой установки 450 МВт.
Большой интерес представляет возможность объединения МГД установки с ядерным реактором с использованием тепла, вырабатываемого в активной зоне. В этом случае при работе по замкнутой схеме возможно применение инертного газа, например гелия, с добавлением 1 % цезия для увеличения электропроводности.
Применение цезия позволит, по-видимому, снизить максимальную температуру в цикле примерно до 2250° С, так как он имеет более высокую проводимость.
Следует иметь также в виду, что использование инертных газов сильно упрощает решение проблем конструкционных материалов, в частности проблем, связанных с их коррозией.
Возможность создания МГД генератора с ядерным реактором основывается на предположении, что в ближайшем будущем может быть создан высокотемпературный ядерный реактор с газовым охлаждением.
Можно сформулировать основные проблемы, решения которых необходимы для практической реализации магнитогидродинамического принципа генерации электроэнергии:
1. Изыскание методов увеличения электрической проводимости ионизированных газов.
2. Разработка методов создания сильных магнитных полей (в несколько десятков тысяч гауссов) в большом объеме и соответствующих конструкций, обеспечивающих малые потери.
3. Изыскание материалов для электродов, сопел, новых конструкций теплообменников-регенераторов, способных длительное время работать три температурах 1600 — 3000 °С и давлении порядка 10 кГ/см2.
4. Разработка рациональных и высокоэкономичных схем энергетических установок с МГД генераторами.
В настоящее время МГД-генераторы относятся к числу нетрадиционных и, возможно, перспективных способов производства электроэнергии. Основные исследования ведутся в области производства электроэнергии совместно с токамаками. Его экспериментально используют для питания подводных лодок, кораблей и космических зондов (НАСА). Несколько технических проблем препятствуют его использованию в промышленных масштабах.
О состоянии современных исследований по этой теме смотрите здесь: Когда станут реальностью плазменные генераторы электричества
Яков Кузнецов
