Конструирование и оптимизация параметров МГД генератора

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа №151
Проект
Конструирование и оптимизация параметров
МГД генератора
Выполнил ученик 9А класса
Кох Дитер
Руководитель проекта
учитель физики
Торгашина Наталья Геннадьевна
Красноярск 2015г
Содержание
Введение
1. Теоретическое обоснование проекта
1. Магнитогидродинамический эффект
2. Первые опыты по использованию магнитогидродинамического
эффекта
3. Классификация МГД генераторов
2. Практическая часть
1. Конструирование генератора
2. Влияние концентрации раствора на выходные параметры
3. Влияние химического состава электролита на выходные
параметры
4. Влияние магнитного поля на выходные параметры
5. Влияние скорости движения электролита на выходные
параметры
3. Выводы
4. Справочная литература
Введение
Актуальность:
Природа
нам
приготовила
электроэнергии и различных ее источников.
несметное
количество
Основным направлением
альтернативной энергетики является поиск и использование альтернативных
(нетрадиционных)
источников
энергии.
Источники
энергии
—
«встречающиеся в природе вещества и процессы, которые позволяют
человеку
получить
необходимую
для
существования
энергию»[1].
Альтернативный источник энергии является возобновляемым ресурсом, он
заменяет собой традиционные источники энергии, функционирующие на
нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют
в атмосферу углекислый газ. Причина поиска альтернативных источников
энергии — потребность получать её из энергии возобновляемых или
практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание
может браться также экологичность и экономичность.
Огромная ее часть сосредоточена в гидросфере [2]. Пока что люди умеют
использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и
медленно окупающихся капиталовложений, что сильно тормозит развитие
данной отрасли. 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. Вода текущая
в реках, так и из наших кранов – природный
электролит и содержит в 1 л большое количество разных ионов, к примеру,
положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора. Заманчивой
становится
перспектива
–
сконструировать
используется магнитогидродинамический эффект.
генератор,
в
котором
Целью проекта является создание магнитогидродинамичекского генератора
в домашних и определение условий его эффективной работы.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить существующие модели МГД генераторов, используя анализ
учебных, научных, научно–популярных источников информации.
2. Выявить физические законы, принципы, которые объясняют, в чем
заключается
магнитогидродинамический
эффект.
3. Изготовить модель МГД генератора
4.Выяснить при каких условиях генератор будет выдавать наибольшее
напряжение и силу тока.
Для наиболее эффективного решения поставленных задач использовались
следующие методы: изучение источников информации, анализ, метод
обобщений, эксперимент.
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1Магнитогидродинамический эффект.
Открытие Майклом Фарадеем
явления электромагнитной индукции
-
возникновение тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного
поля
позволило
получить
магнитогидродинамическим.
электролиты,
ионизированные
и
обратный
эффект
названный
В данном случае, проводниками являются
жидкие
металлы
или
газы
(плазма).
При
движении поперек магнитного поля в них
возникают противоположно
направленные
потоки носителей зарядов противоположных
знаков (рис.1). Данное движение возникает
под действием силы Лоренца:
FЛ = q υ B sin α.
где q- заряд частицы, v- скорость движения частицы,
B- индукция
магнитного поля. 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 энергия рабочего
тела
(электролита,
жидкого
металла
или
плазмы)
преобразуется
непосредственно в электрическую.
Электролит — вещество, которое проводит электрический ток вследствие
диссоциации на ионы, что происходит в растворах и расплавах, или
движения ионов в кристаллических решётках твёрдых электролитов.
Примерами электролитов могут служить водные растворы кислот, солей и
оснований.
Электролиты
это
проводники
второго
рода,
электропроводность которых обусловлена подвижностью ионов.
вещества,
1.2 Первые опыты по использованию магнитогидродинамического эффекта
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. [3]
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.
Хотя первые патенты на генерирование электричества МГДгенератором с применением ионизированного газа энергии были выданы ещё
в 1907—1910 гг., описанные в них конструкции были на практике не
выполнимы. Тогда не существовало материалов, способных работать в
газовой среде при температуре 2 500-3 000 °C.
1.3. Классификация МГД генераторов
Создание МГД-генераторов стало возможным после открытия новой
науки — магнитной гидродинамики. Основные законы МГД были открыты в
1944г. шведским ученым Ханнесом Альфвеном при изучении поведения
космической плазмы (плазмы, заполняющей межзвездное пространство) в
магнитном поле[5, 6, 7].
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 3000К 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 11,5 кВт. К середине 1960-х годов
мощность МГД-генераторов на продуктах сгорания удалось довести по 32
МВт («Марк-V», США).
В СССР первая лабораторная установка «У-02», работавшая на природном
топливе, была создана в 1965 году. В 1971 году была запущена опытнопромышленная энергетическая установка «У-25», имеющая расчётную
мощность 20—25 МВт.
«У-25» работала на продуктах сгорания природного газа с добавкой
K2CO3 в качестве ионизирующейся присадки, температура потока — около 3
000 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
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 настоящее время на Рязанской ГРЭС используется головной МГД–
энергоблок 500 МВт, включающий МГД–генератор мощностью около 300
МВт и паротурбинную часть мощностью 315 МВт. 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. 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.
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 достигает величины–65%.
Недостатки МГД–генераторов:
 Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза
расплавления. Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и
горячий ветер имеет скорость 1000 – 2000м/с
 Генератор
вырабатывает
эффективного
только
электрического
постоянный
инвертора
для
ток.
Создание
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.
Надежность
и
продолжительность работы электродов – общая проблема всех каналов.
При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма
недолговечны.
 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 растворы солей, не найдено.
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для создания модели МГД генератора в лабораторных условиях
использовались стеклянный химический стакан, два постоянных магнита,
цинковый и медный электроды, растворы солей: поваренной соли, медного
купороса, спиртовка.
Рис. 2 Установка в собранном виде.
К стакану прикреплялись магниты разными полюсами, в стакан помещались
электроды, которые были подключены к вольтметру. В стакан наливался
раствор соли. Модель устанавливалась на штативе и снизу подогревалась на
пламени спиртовки. Раствор нагревался до образования пузырьков. В ходе
эксперимента выходное напряжение практически не менялось.
Опыт 1. Влияние концентрации раствора на выходные параметры.
Для проведения опыта использовались растворы поваренной соли разной
концентрации. Для получения растворов в 160 мл воды растворялось разное
количество соли. Данные приведены в таблице 1.
Номер
эксперимента
Масса соли
растворе, гр
Выходное
напряжение, В
в
1
2
3
1
2
5
0,75
0,69
0,75
Вывод: От концентрации раствора выходное напряжение не зависит.
Опыт 2. Влияние химического состава электролита на выходные параметры
Для проведения опыта использовались растворы поваренной соли и медного
купороса с одинаковой массовой долей солей. Мы растворяли 5 гр соли в 160
мл воды.
Выходное напряжение:
Поваренная соль: 0,75В
Медный купорос: 1,3 В
Вывод: Ионы солей, заряд которых по модулю больше, дают увеличение
напряжения.
Опыт 3.Влияние магнитного поля на выходные параметры
При помощи цифровой лаборатории Архимед и датчика магнитного поля
было произведено измерение индукции магнитного поля в рабочей области и
Выходного напряжения при использовании раствора поваренной соли.
Максимальное значение получилось для полосовых магнитов, которые
выдавали значение магнитного поля равное 7мТл, и при этом выходное
напряжение равнялось 1,2 В при концентрации поваренной соли 5гр на 160
мл.
Опыт 4.Влияние скорости движения электролита на выходные параметры
Случайно в ходе экспериментов было обнаружено, что когда в стакан
наливался раствор соли, то напряжение поднималось кратковременно до
1,4В.
ВЫВОДЫ
Для эффективного использование МГД-генератора в домашних условиях и
получения
напряжение
сопоставимого
с
гальваническим
элементом
рекомендуется:
1.Использовать медный купорос
2.Создать условия для максимальной скорости движение электролита
относительно электродов
3.Создать однородное магнитное поле по всей высоте столба электролита
Наиболее существенным фактором является скорость течения электролита,
что в дальнейшем позволяет данные технологии применять для создания
альтернативных источников электроэнергии с использованием проточной
воды в домашних условиях или естественного течения рек.
СПРАВОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Источники энергии - Научно-технический энциклопедический словарь
2. Володин В., Хазановская П. Энергия, век двадцать первый.– М.: Детская
литература,
1989.–
2. http://ru.wikipedia.org/ –
3. http://www.naukadv.ru –
142
с.
свободная
сайт
энциклопедия
“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
8. http://how-make.ru – Сайт для любителей мастерить своими руками.
с.