3.1. МГД–генератоты плазменного типа

Работа МГД–генератора, как и обычной электрической машины, основана на фундаментальном законе электромагнитной индукции. От обычной электрической машины МГД–генератор отличается тем, что в нем рабочим телом является проводящий газ (холодная плазма), а не твердый проводник. При этом в МГД–генераторе совмещаются одновременно функции турбины и генератора. Это обеспечивает непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую и более высокие энергетические показатели всего теплового цикла преобразования. При достаточно высоких температурах плазмы (до 3000°К) и интенсивностях магнитного поля (до нескольких Тл) в МГД–генераторах можно получить КПД, значительно более высокий, чем у обычных тепловых электростанциях, неограниченную мощность, компактность и удешевление цикла производства электроэнергии. МГД–генераторы могут быть использованы для большой энергетики и успешно применяться в ряде специальных областей техники.

Легко получить выражение для максимальной мощности МГД–генератора. Действительно, единичная мощность любого генератора может быть определена как               

,                                       (3.1)

где Е – напряженность электрического поля в рабочем режиме при протекании в рабочем теле тока плотностью J.

В зависимости от конструкции канала и проводимости рабочего тела напряженность имеет вид

.                           (3.2)

Плотность тока определяется соотношением

.                        (3.3)

Отсюда

.      (3.4)

Функция к(1 – к) достигает своего максимума при к = 1/2, что очевидно. Заметим, что если учитывается внутреннее сопротивление генератора

,                 (3.5)

где R – сопротивление внешней цели; R_i – внутреннее сопротивление генератора.

Полная максимальная мощность Р, которую можно получить от генератора, равна

,              (3.6)

где V – объем рабочего канала.

При проводимости газа 10 , средней скорости v = 10³ м/с и индукции 2 Тл максимальная удельная мощность канала составила бы

.                             (3.7)

Конечно (3.7) носит только оценочный характер, так как не учитывает многих осложняющих факторов при преобразованиях в канале.

МГД–генераторы принципиально могут быть, как и обычные электрические машины, двух типов:

1)генераторы кондукционного типа – генераторы постоянного тока;

2) генераторы переменного тока (с бегущим магнитным полем) асинхронного и синхронного типа.

При достаточно низкой проводимости плазмы генераторы индукционного типа должны быть менее эффективными, чем генераторы кондукционного типа. Поэтому здесь рассматриваются генераторы только 1–го типа. Принципиальная схема МГД–генератора представлена на рис. 3.1. Канал, в котором движется со скоростью v холодная плазма, находится в поперечном магнитном поле 5. На электродах канала индуцируется напряжение U и выводится в нагрузку R.

Рис. 3.1

Для обеспечения В = const(x,y,z); v = const(x,y,z) необходима соответствующая форма канала. Полное описание процессов, происходящих в МГД–генераторе, дается замкнутой системой уравнений магнитной гидродинамики и уравнений состояния и переноса тепла (уравнений баланса энергии). В силу низкой проводимости газа магнитное число Рейнольдса мало () и уравнения несколько упрощаются. Однако число Рейнольдса , т.е. режим в канале турбулентный. Число Гартмана велико (). С учетом сжимаемости газа и других осложняющих факторов точное решение проблемы МГД–генерации энергии составляет очень сложную задачу. Достаточная сложность появляется и при учете электронных токов Холла, так как они сравнимы с кондукционным током. Для исключения влияния эффекта Холла токоотводящие электроды секционируются и к каждой их паре, расположенных друг против друга подключается независимая нагрузка.