магнитогидродинамический генеретор

Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Роза Р. Магнитогидродинамическое преобразование энергии. - М. : Мир, 1970, с. 53. 2. Заявка ФРГ N 3240965, кл. Н 02К 44/08, 1984. (72) Автор(ы): Долгих Е. К. Использование: в энергетике, в частности, в МГД-генераторах для преобразования концентрированной энергии электромагнитного излучения солнца в электрическую энергию. Сущность изобретения: МГД-генератор содержит камеру с теплоизолирующими стенками 1, которые изнутри покрыты отражающим тепловое излучение веществом, внутри камеры находится газопроницаемый по поверхности полый нагревательный элемент 2, расположенный с зазором от стенок камеры и выполненный из тугоплавкого, проводящего материала, с поверхностным слоем из вещества с малой работой выхода электрона, электрод 3, соединенный с нагревательным элементом 2, МГД-канал 4 с электродами 5, состыкованный с выходным отверстием камеры 1, которое совмещено с отверстием нагревательного элемента 2, магнитную систему 6, создающую магнитное поле в канале 4, источник постоянного напряжения 7, соединенный с электродом 3 теплообменника 2 и ближайшим к элементу нагрева электродом 5 в МГД-канале, причем своим положительным полюсом источник подключен к электроду в канале, а отрицательным - к электроду теплообменника, тугоплавкий элемент ввода концентрированного солнечного излучения 8, расположенный по оси канала со стороны его выхода.

1 з.

п. ф-лы. 2 ил. Изобретение относится к области преобразования энергии магнитогидродинамическим методом, в частности, к преобразованию энергии электромагнитного излучения солнца оптического диапазона высокой плотности и может найти применение в конструкциях МГД-генераторов и МГД-ускорителей.

В настоящее время основным методом получения электрической энергии являются преобразователи тепловой энергии с помощью парои газотурбинных установок в сочетании с электрогенератором. В качестве источников тепловой энергии используются химические топлива, атомные реакторы, а в последнее время концентрированное солнечное излучение. Учет непрерывной возобновляемости и экологической чистоты энергии солнечного излучения показывает актуальность разработки эффективных методов ее преобразования в электрическую энергию. Перед автором стояла задача по разработке магнитогидродинамического генератора для преобразования концентрированной энергии электромагнитного излучения солнца с повышенным коэффициентом полезного действия.

Применение МГД-генератора для преобразования солнечной энергии дает возможность более эффективного ее использования, т. к. реальный КПД преобразования тепловой энергии в электрическую с применением паротурбинного способа только 40% а прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводников еще меньше около 20%Принцип действия МГД-генератора основан на явлении электромагнитной индукции, т. е. возникновение тока в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии. Наиболее известны и разработаны МГД-генераторы, которые вырабатывают электрическую энергию в результате движения нагретого до высокой температуры электропроводного газа через магнитное поле [1] При этом движении между электродами, расположенными внутри канала МГД-генератора, наводится электродвижущая сила.

Необходимая для работы МГД-генератора проводимость рабочего газа достигается за счет сильного его нагрева (3000oC) и ввода в газ легко ионизируемых добавок. Обычно рабочим газом являются продукты сгорания органического топлива в кислороде, а легко ионизируемой добавкой - К2CO3. Основной недостаток такого МГД-генератора его малая эффективность. Это связано с тем, что температура газа при его выходе из генератора еще слишком высока. Таким образом, газ, обладая еще весьма большим термодинамическим потенциалом, оказывается не в состоянии реализовать его в электродинамическом процессе, т.

к. электропроводность рабочего газа при температурах ниже 2000oK слишком мала. Для преодоления указанного недостатка имеются несколько путей. Один из них это создание комбинированного рабочего вещества. На этом принципе основано действие жидкостных МГД-генераторов. В них пары одного металла разгоняют жидкость другого металла, имеющего более высокую температуру кипения (двухкомпонентная смесь).

Применение жидкого металла в данном типе МГД-генератора решает проблему малой проводимости рабочего вещества. Известны также схемы, где движущим и проводящим агентом является пар и жидкость одного и того же металла (двухфазная однокомпонентная смесь). Такая схема может применяться для преобразования солнечной энергии. Существует способ преобразования солнечной радиации с применением поглотителя солнечного излучения в виде солнечного пруда водоема небольшой глубины с большим градиентом концентрации соли в воде по глубине пруда, что устраняет тепловую конвекцию в объеме и приводит к повышенному нагреву солнечной радиацией придонного слоя пруда, откуда и отводится тепловая энергия для последующего преобразования в электрическую с применением двухфазного МГД-генератора.

В этом случае в качестве рабочего вещества используется двухфазная паро-жидкостная смесь: жидкость проводящий раствор соли, пар водяной пар.

Этот путь преобразования энергии солнечного излучения существенно ограничен в повышении КПД преобразования энергии солнечного излучения из-за существования максимальной температуры, до которой может быть нагрет этим способом раствор соли солнцем (100oC). Применение МГД-генератора в данном способе преобразования солнечной энергии не дает большого преимущества по сравнению с паротурбинным способом, т. к. не позволяет использовать основное преимущество МГД-генератора (его высокий верхний температурный предел), поэтому в качестве рабочего вещества более выгодно использование ионизированного газа.

Наиболее близким по технической сути к предложенному изобретению является "Солнечный привод для МГД-процесса", ФРГ (ДЕ) заявка N 0S3240965, публикации 10. 05. 84. Как следует из описания к заявке, это известное устройство МГД-привод функционирует в замкнутом контуре при высокой температуре следующим образом: полый приемник излучения 1 генерирует тепловую энергию с высокой температурой (более 2000oC); через приемник 1 под давлением пропускается газ, нагревающийся в приемнике 1; приемник 1 расположен в замкнутом контуре, который содержит МГД-канал 3 13 и устройство для поддержания высокой скорости в МГД-канале 3, 13 (фиг. 1). Основными ограничениями, присущими этому известному устройству "Солнечному приводу для МГД-процесса", являются:малая площадь контакта между нагреваемым газом и поверхностью.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение КПД преобразования энергии электромагнитного излучения солнца в электрическую энергию МГД-способом. Эта задача решается тем, что в МГД-генераторе с солнечным приводом, содержащим полый приемник излучения, МГД-канал с электродами и магнитную систему, создающую в канале магнитное поле, приемник излучения выполнен в виде камеры с теплоизолирующими стенками, внутри которой расположен, с зазором от ее стенок, полый нагревательный элемент, выполненный из тугоплавкого, проводящего материала, с поверхностным слоем из вещества с малой работой выхода электрона, электрод, электрический, соединенный с нагревательным элементом, МГД-канал с электродами и межэлектродными изоляторами, состыкованный с выходным отверстием камеры, которое совмещено с отверстием нагревательного элемента; магнитную систему, создающую магнитное поле в канале, источник постоянного напряжения, соединенный с электродом теплообменника и ближайшим к элементу нагрева электродом в МГД-канале, причем своим положительным полюсом источник подключен к электроду в канале, а отрицательным к электроду теплообменника, тугоплавкий элемент ввода концентрированного солнечного излучения, расположенный по оси канала со стороны его выхода.

На фиг.

2 изображена принципиальная схема продольного осевого сечения МГД-генератора. МГД-генератор содержит: приемник излучения, состоящий из камеры 1 с теплоизолирующими стенками, которые изнутри покрыты отражающим тепловое излучение составом, внутри камеры 1, с зазором от ее стенок, находится газопроницаемый по поверхности полый нагревательный элемент 2, выполненный из тугоплавкого материала, с поверхностным слоем из соединения с малой работой выхода электрона, электрод 3, электрический, соединенный с нагревательным элементом 2, канал 4, с электродами 5, состыкованный своим входным отверстием с выходным отверстием камеры 1, которое совмещено с отверстием нагревательного элемента 2, магнитную систему 6, создающую магнитное поле в канале 4, источник постоянного напряжения 7, соединенный с электродом 3 нагревательного элемента 2 и с ближайшим к нагревательному элементу 2 электродом 5 в канале генератора 4, при этом электрод 5 канала 4 присоединен к положительному полюсу источника 7, а электрод 3 нагревательного элемента 2 к отрицательному полюсу источника 7, тугоплавкий элемент ввода 8, пропускающий концентрированное солнечное излучение в канал 4 генератора, расположенный по оси канала 4 со стороны его выхода.

Устройство на фиг.

2 работает следующим образом: рабочий газ нагнетается компрессором (напр.

газотурбинным) в пространство между камерой 1 и расположенным внутри нее нагревательным элементом 2, после чего газ проходит через нагревательный элемент 2, нагревается, ионизируется, затем ионизированный газ, проходя через канал 4 поперек магнитного поля, созданного в канале 4 магнитной системой 6, совершает работу против тормозящей электромагнитной силы, в результате чего между электродами 5, расположенными в канале 4 генератора, возникает электродвижущая сила. При этом необходимая для работы МГД-генератора проводимость рабочего газа поддерживается ультрафиолетовой (и видимой) частью излучения солнца, ионизирующей рабочий газ, которая проходит по оси канала 4 со стороны его конца в направлении к поглощающему cолнечное излучение нагревательному элементу 2, при этом в канал 4 концентрированное солнечное излучение попадает через элемент ввода 8.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в следующем. Предлагаемая конструкция МГД-генератора позволяет увеличить КПД преобразования энергии солнечного излучения в электрическую за счет следующих моментов:1) уменьшение тепловых потерь в приемнике излучения вследствие отделения его от стенок камеры на некоторое расстояние, покрытия внутренних поверхностей стенок камеры составом, отражающим тепловое излучение, которое возникает вследствие высокой температуры нагревательного элемента, а самой стенки из теплоизолирующего материала;2) за счет увеличения температуры, а также более равномерного нагрева всего объема рабочего газа, проходящего через нагревательный элемент, что является следствием выполнения нагревательного элемента в виде системы, содержащей несколько слоев сеток, образующих газопроницаемую по всей своей поверхности оболочку, т.

е.

в контакт с ее поверхностью будет вступать весь объем проходящего через нагревательный элемент газа, а не только околоповерхностный слой газа как в прототипе. При этом температура нагрева увеличивается еще и потому, что нагреваемый газ движется через нагревательный элемент от внешней его поверхности к внутренней, которая непосредственно поглощает излучение и поэтому более нагрета;3) кроме того, выполнение нагревательного элемента в виде полой ребристой оболочки позволяет увеличить тепловую и механическую нагрузку на нагревательный элемент за счет повышения механической прочности нагревательного элемента и увеличения его поверхности при таком его выполнении, а также улучшить характеристики поглощения солнечного излучения нагревательного элемента ввиду уменьшения потерь на переизлучение и его пропускную способность вследствие увеличения площади проникновения;4) устранение промежуточных устройств между МГД-генератором и нагревательным элементом (в прототипе данное промежуточное устройство называется устройство для поддержания высокой скорости в МГД-канале) также способствует повышению КПД.

Это устройство в прототипе вынуждено работать в очень тяжелых температурных условиях, и в нем происходят дополнительные тепловые потери;5) далее, понижение температуры ионизированного газа с минимально необходимой для его использования в МГД-генераторе проводимостью, в результате непрерывной фотоионизации рабочего газа ультрафиолетовой частью спектра солнечного излучения, (а также фотовозбуждения рабочего газа излучением, в результате которого понижается энергия ионизации) проходящего через канал генератора, обеспечивает возможность более полного преобразования внутренней энергии ионизованного газа в электрическую;6) за счет выполнения элемента ввода концентрированного солнечного излучения в виде линзы Френеля, что дает возможность изменять угол вхождения и распространения излучения в канале МГД-генератора и тем самым добиваться оптимальной конфигурации солнечного потока, применение линзы Френеля позволяет также выполнить элемент ввода достаточно тонким, что, конечно, уменьшает поглощение излучения в самом элементе ввода;7) снижение нижнего предела рабочей температуры за счет дополнения линейной части МГД-канала дисковой, в которой в результате быстрого расширения фотовозбужденного и ионизованного газа будет достаточно медленно происходить рекомбинация ионизированного газа, тем самым будет поддерживаться проводимость газа на рабочем уровне;8) поддержание рабочей проводимости за счет неравновесной ионизации, полученной путем создания электрического тока между нагревательным элементом и ближайшим к нему электродом в канале генератора.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявленный МГД-генератор с солнечным приводом отличается тем, что: солнечное излучение, нагревающее элемент нагрева, вводится по оси канала МГД-генератора со стороны его выхода через прозрачный для электромагнитного излучения солнца тугоплавкий элемент ввода, выполненный в виде линзы Френеля полый нагревательный элемент выполнен в виде газопроницаемой по всей поверхности оболочки с ребристыми стенками из тугоплавкого проводящего вещества, на поверхности которого имеется специальная пленка из вещества с малой работой выхода электрона, нагревательный элемент находится внутри камеры с зазором от ее стенок; отверстие нагревательного элемента совмещено с выходным отверстием камеры, которое состыковано с входом МГД-канала, внутренняя поверхность камеры выполнена отражающей электромагнитное излучение разогретого теплообменника, а сами стенки камеры нагрева выполнены из теплоизолирующего материала, к нагревательному элементу присоединен электрод, между электродом нагревательного элемента и ближайшим к нагревательному элементу электродом в канале генератора приложено постоянное напряжение от источника питания с отрицательным потенциалом на теплообменнике, а положительным на электроде МГД-канала, канал генератора состоит из двух частей линейной и дисковой.

Таким образом, предлагаемая конструкция МГД-генератора с солнечным приводом, благодаря своим новым признакам обеспечивает повышение КПД преобразования энергии концентрированного солнечного излучения в электрическую энергию за счет увеличения разницы между температурой рабочего газа на входе и конечной его температурой на выходе из канала, т.

е.

более полного преобразования термодинамического потенциала рабочего газа в электрическую энергию в электродинамическом процессе, что достигается благодаря тому, что повышается проводимость рабочего газа до достаточного для работы в МГД-генераторе уровня в результате эффектов фотоионизации и фотовозбуждения, в результате которого понижается энергия ионизации у рабочего вещества, а также путем поддержания неравновесной ионизации током, возникающим в результате создания напряжения между нагревательным элементом и ближайшим к нему электродом в канале генератора.

Кроме того, можно отметить, что принцип действия предлагаемого МГД-генератора с солнечным приводом дает возможность превратить его в МГД-ускоритель при незначительном изменении в его конструкции и режиме работы.

Принцип работы предлагаемого устройства не исключает также и использования любого другого источника излучения электромагнитных волн, близкого по своим излучательным характеристикам к абсолютно черному телу с высокой температурой.

1.

МГД-генератор с солнечным приводом, содержащий приемник излучения, МГД-канал с электродами, магнитную систему и устройство создания потока рабочего газа в МГД-генераторе, отличающийся тем, что генератор дополнительно содержит источник постоянного напряжения, при этом приемник излучения включает камеру с теплоизолирующими стенками, внутренние поверхности которой покрыты веществом, отражающим тепловое излучение, и размещенный в ней с зазором относительно стенок камеры полый нагревательный элемент с газопроницаемыми стенками, совмещенный с входом МГД-канала и выходным отверстием камеры с теплоизолирующими стенками, причем стенки нагревательного элемента выполнены из тугоплавкого проводящего материала, а их поверхности покрыты веществом с низкой работой выхода, при этом нагревательный элемент электрически соединен с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения, а положительный полюс источника соединен с ближайшим к приемнику излучения электродом МГД-канала, причем в выходном сечении МГД-канала соосно с каналом установлен элемент ввода концентрированного солнечного излучения в канал, при этом элемент ввода выполнен из тугоплавкого материала.

2.

МГД-генератор по п.

1, отличающийся тем, что нагревательный элемент содержит ребристую оболочку..