máy phát MHD

2

L. Ashkinazi

máy phát MHD

Xã hội loài người không thể sống thiếu năng lượng. Cho đến nay, nguồn năng lượng chính của con người là nhiên liệu tự nhiên: than, dầu, khí đốt. Nhưng việc cung cấp nhiên liệu này không kéo dài mãi mãi. Đúng, chúng ta biết các nguồn năng lượng khác - Mặt trời và Nguyên tử. Trong tương lai, chúng sẽ trở thành nguồn cung cấp chính, nhưng việc phát triển chúng cần có thời gian và trong khi đó trữ lượng nhiên liệu tự nhiên đang giảm dần. Làm thế nào để sử dụng hiệu quả nguồn dự trữ này? Một đề xuất đương nhiên là tăng hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi năng lượng của nhiên liệu tự nhiên thành năng lượng điện. Một ứng dụng quan trọng của chuyển đổi năng lượng hiệu quả cao là giảm ô nhiễm môi trường.

Như đã biết, hiệu suất của động cơ nhiệt tăng lên khi tăng nhiệt độ tối đa và giảm tối thiểu của chất lỏng làm việc. Nhưng nhiệt độ tối thiểu được giới hạn ở màu xanh lam - đây là nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ tối đa được giới hạn bởi bao nhiêu? Độ bền của cánh tuabin - hay độ bền của tất cả các kim loại giảm khi nhiệt độ tăng và các bộ phận tốc độ cao chịu tải lớn hơn. Các cánh tuabin của nhà máy nhiệt điện hoạt động “đến giới hạn” và một trong những mục tiêu chính là thu được vật liệu có độ bền cao ở nhiệt độ cao. Các nhà máy nhiệt điện tốt nhất có hiệu suất từ ​​35-40%.

Nếu muốn tăng hiệu suất bằng cách tăng nhiệt độ của chất lỏng làm việc, chúng ta phải tìm cách chuyển đổi năng lượng của khí nóng thành năng lượng điện không cần vật liệu có độ bền cao.

Một ngày nọ, một người đàn ông đứng ở một nơi bên kia sông Thames và cố gắng thay đổi hiệu điện thế giữa hai

3

Điện cực ngâm trong nước. Tuy nhiên, hiệu điện thế bằng 0 trong nửa giờ, và Michael Faraday khổng lồ (và chính là anh ta) đã về nhà. Thất bại của Faraday chỉ được giải thích bởi độ nhạy thấp của các thiết bị ông sử dụng. Nhưng sự khác biệt tiềm năng tồn tại và nó đã được nhà vật lý Wollaston thay đổi 19 năm sau. Và sau đó William Thomson (Lord Kelvin) đề xuất sử dụng hiệu ứng này để chuyển đổi năng lượng chuyển động của nước biển khi thủy triều thành năng lượng điện.

Do đó, nền tảng lý tưởng đã được đặt ra cho một phương pháp chuyển đổi năng lượng mới, giúp sử dụng nhiên liệu tự nhiên với hiệu suất cao hơn so với các nhà máy nhiệt điện truyền thống. Phương pháp này được gọi là từ thủy động lực học.

máy phát MHD

Hãy tưởng tượng một đường ống làm bằng vật liệu cách điện và có các điện cực dẫn điện ở bên trong hai bức tường đối diện. Ống được đặt trong từ trường. Một dòng khí nóng chuyển động trong ống. Đây là sơ đồ cơ bản của máy phát điện từ thủy động lực - máy phát MHD. (Chuyển động của dòng khí nóng về nhiều mặt tương tự như chuyển động của chất lỏng. Do đó, tên của cả phương pháp và máy phát điện.) Trong máy phát MHD, năng lượng cơ học của khí nóng chuyển động được chuyển đổi thành năng lượng điện. Hãy xem nó được thực hiện như thế nào.

Để xác định điều này, hãy để khí trong kênh MHD (còn gọi là ống có điện cực ở thành trong) di chuyển từ trái sang phải với tốc độ $\vec{v}$ và chỉ báo từ trường $\vec{B}$ có hướng như hình vẽ.

Nếu có các electron tự do trong chất khí chuyển động dọc theo kênh MHD thì dưới tác dụng của lực Lorentz $F=evB$ chúng sẽ trôi trong chất khí về phía điện cực gần chúng ta (trong hình) và tích tụ trên đó. Kết quả là sẽ tạo ra sự khác biệt điện thế giữa các tế bào điện trên thành của kênh MHD. Nếu chúng ta nối một số tải điện với nguồn điện thì dòng điện sẽ chạy qua mạch tải.

Vì vậy, bài toán lời giải - bằng cách đặt một dòng khí nóng vào một đường ống có hai dây điện và từ trường, chúng tôi đã tạo ra một máy phát năng lượng điện.

Cơ chế tạo dòng điện trong máy phát MHD cũng giống như trong bất kỳ máy phát điện nào - dòng điện sẽ xuất hiện trong một dây dẫn chuyển động trong từ trường. Nhưng chỉ trong máy phát điện những dây dẫn này là kim loại và rắn, còn trong máy phát điện MHD chúng là khí nóng.

Tuy nhiên, đây chỉ là một nguyên tắc hành động. Để hiểu những điều kiện mà một máy phát điện như vậy sẽ hoạt động, hãy tính các thông số của nó - emf và điện trở trong. Cho điện trở tải là vô hạn, nói cách khác là tải hở. Điện áp $\delta$ ở đầu ra của máy phát, tức là EMF, sẽ là bao nhiêu? Nó tương đương với công việc di chuyển

4

đơn vị điện tích giữa các điện cực. Vì công này là tùy ý chống lại lực $F = evB$, với độ căng kênh bằng $d$, $\mathcal{E} = Fd/e = vBd$. Đối với $d = 3$ m, $v = 1500$ m/s và $B = 5$ T $\mathcal{E}$ sẽ là 22,5 kV - một giá trị khá đáng kể, đủ cho các ứng dụng thực tế.

Chúng ta hãy quay lại thời gian của Faraday trong một phút và ước tính EMF cho một cặp điện cực được hạ xuống sông Thames (tất nhiên, dòng sông không phải là dòng khí dẫn điện mà là dòng chất lỏng dẫn điện, nhưng không có sự khác biệt cơ bản). Sông Thames là một con sông rộng (điều này tốt), nhưng chậm (điều này là xấu) và từ trường của Trái đất nhỏ (điều này cũng xấu). Thăm dò $d = 30$ m, $v = 0,1$ m/s, $B = 10^{-4}$ T, chúng tôi nhận được $\mathcal{E} = 3 \cdot 10^{-4}$ V. (Faraday không thể thay đổi giá trị này…)
Điện trở trong hiện tại của bộ dao động $M\Gamma D$.

Như đã biết, điện trở của một dây dẫn kim loại có chiều dài $L$ và tiết diện $S$ bằng $R = \frac{mL}{e^2n\tau S}$, trong đó $m$ và $e$ là khối lượng và điện tích của điện cực, $n$ là nồng độ của các điện cực tự do trong kim loại, $\tau$ là thời gian đi qua tự do của điện cực (xem “Vật lý 9”, trang 175). Chúng ta có thể sử dụng công thức này cho trường hợp chất khí có độ dẫn điện, thay thế các giá trị “khí” $t$ và $n$ vào công thức. Ở nhiệt độ $T = 2000$ K và áp suất khí trong kênh $10^5$ Pa (các giá trị phổ biến cho máy phát điện $M\Gamma D$) $t$ là $\sim 10^{-12}$ s. Như có thể thấy từ hình, trong trường hợp của chúng tôi $L = d$, $S = hl$, vì vậy $R = 3,5 \cdot 10^{19} \frac{d}{nhl}$. Vì vậy, chúng tôi liên hệ điện trở trong của máy phát $R$ $M\Gamma D$ với kích thước kênh và nồng độ của các điện cực trong khí.

Những giá trị nào của $R$ phải được đảm bảo để việc sử dụng máy tạo $M\Gamma D$ có tính khả thi về mặt kinh tế? Giả sử rằng từ một máy phát có kích thước kênh $d = h = 3$ m, $l = 15$ m, chúng ta muốn đạt được công suất $P = 2000$ MBt. Nếu điện trở tải là $R_H$ thì dòng điện trong máy phát và tải là $I = \mathcal{E}/(R + R_H)$, công suất do máy phát tạo ra là $P_r = \mathcal{E}I = \mathcal{E}^2/(R + R_H)$, công suất giải phóng trong tải là $P = \mathcal{E}^2R_H/(R + R_H)^2$, tổn thất điện năng là $P_n = \mathcal{E}^2R/(R + R_H)^2$. Vì theo điều kiện $P = 2000$ MBt, và $\mathcal{E} = 22,5$ kV thì $R_H = 4(R + R_H)^2$. Lý do chính khiến chúng tôi “phát minh” ra máy phát điện $M\Gamma D$ là hiệu suất cao. Điều này có nghĩa là $P_n$ chỉ nên là một phần nhỏ của $P_r$ - chẳng hạn như không quá 10%. Mặt khác, máy phát điện $M\Gamma D$ hóa ra không hiệu quả hơn một nhà máy nhiệt điện thông thường. Vì vậy, $P_n \leq 0,1P_r$ trống, tức là $\mathcal{E}^2R/(R + R_H)^2 \leq 0,1\mathcal{E}^2/(R + R_H)$; sau đó $R \leq 0,11R_H$. Từ đây và từ $R_H = 4(R + R_H)^2$ chúng ta có $R \leq 0,022$ Ohm. Để có được $R$ như vậy với các giá trị cho trước là $d = h = 3$ m, $l = 15$ m, cần phải có nồng độ điện cực là $n \geq 10^{20}$ điện cực/m³. Nhưng có quá nhiều điện cực bị thiếu trong khí? Ở nhiệt độ 2000 K, celecomostite thực tế được tạo thành từ các phân tử neon hóa; nó có thể được đốt bằng cách nung nóng, chẳng hạn như đến 8000 K. Nhưng ở nhiệt độ này, tất cả các vật liệu đã biết đều nổi - kênh $M\Gamma D$ và buồng đốt đơn giản là sẽ không được làm từ…

Tuy nhiên, nồng độ của các điện cực có thể tăng lên bằng cách thêm các chất phụ gia dễ bị oxy hóa vào khí. Những chất phụ gia như vậy, hay còn gọi là chất phụ gia, có thể là kim loại kiềm, việc bổ sung kali và xêzi là hiệu quả nhất. Ví dụ, việc bổ sung 1% kali vào hỗn hợp $\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$ (sản phẩm đốt than hoặc khí tự nhiên) tạo ra nồng độ điện cực ở nhiệt độ khí 2500 K cao hơn $10^{24}$ lần so với khi không có nó.

Phụ gia kali được đưa vào ngay đầu kênh $M\Gamma D$, ngay sau buồng đốt, dưới dạng muối $K_2\text{CO}_3$ hoặc $K_2\text{SO}_4$ - hợp chất kali rẻ tiền và sẵn có. Các hạt phải nhỏ, kích thước khoảng một micron - chúng phải có thời gian tan chảy, bay hơi, phân hủy và ion hóa ngay từ đầu kênh, để khí có đủ độ dẫn đến các điện cực.

Việc bổ sung xêzi làm tăng thêm độ dẫn của khí. Nhưng Caesium rất đắt tiền và nó chỉ có thể được sử dụng nếu không cần dòng chảy liên tục trong quá trình vận hành máy phát điện $M\Gamma D$

5

Máy phát MHD chu trình mở.

chất phụ gia. Để tìm hiểu xem chất phụ gia được tiêu thụ như thế nào trong quá trình vận hành máy phát MHD, chúng ta sẽ phải đặt câu hỏi về số phận của khí đi qua kênh MHD.

Khí này vẫn còn đủ năng lượng để làm quay tua-bin của các nhà máy nhiệt điện. Trong trường hợp này, máy phát MHD sẽ phát “giai đoạn nhiệt độ cao nhất” trong nhà máy nhiệt điện. Điều này sẽ làm tăng thêm hiệu quả của nó. Sau kênh MHD và tua-bin, khí được thải vào khí quyển. Và mặc dù các bộ lọc giữ lại gần 95% chất phụ gia ở đầu ra của kênh, 4 tấn chất phụ gia mỗi giờ vẫn sẽ được thải vào khí quyển từ các đường ống của nhà máy điện MHD 2000 MW. Do đó, Caesium không thể được sử dụng trong máy phát MHD, loại máy tạo ra khí vào khí quyển sau kênh - nó sẽ tốn quá nhiều chi phí. Đối với các máy tạo MHD như vậy, được gọi là máy tạo MHD chu trình mở, chỉ có thể sử dụng kali ở dạng K₂CO₃ hoặc K₂SO₄ làm chất phụ gia.

Vì đã có máy phát MHD chu trình mở nên có lẽ cũng có máy phát MHD chu trình kín? Đúng. Trong đó, chất lỏng làm việc thường là khí trơ (thường là argon) và chất phụ gia là Caesium.

Khí sau kênh và tua-bin (nếu có) quay trở lại… ở đâu? Không có trong buồng phân loại - không có gì để đốt trong máy tạo MHD chu trình kín; nhiên liệu tự nhiên không bị đốt cháy trong đó. Khí quay trở lại vùng gia nhiệt, ví dụ, có thể là “bên trong” của lò phản ứng hạt nhân. Trong trường hợp này, không có sự thất thoát khí hoặc chất phụ gia và có thể sử dụng Caesium, chất này tạo ra độ dẫn điện cao hơn kali.

Việc sử dụng máy phát MHD với chu trình kín có thể làm giảm hiệu suất của nhà máy điện hạt nhân, nhưng để sử dụng rộng rãi máy phát MHD với cả chu trình mở và chu trình kín, cần phải giải quyết một nhóm vấn đề, trong đó có thể nói, vấn đề phức tạp nhất là vấn đề “nút”.

Máy phát MHD chu trình mở.

6

Vấn đề về kênh.

Cần có vật liệu cách điện và dẫn điện không bị xuống cấp quá nhanh trong điều kiện vận hành của máy phát MHD. Và những điều kiện này không hề dễ dàng.

MÔI TRƯỜNG trong máy phát điện MHD chu trình mở là các sản phẩm có hoạt tính hóa học của quá trình đốt cháy nhiên liệu với nhiều tạp chất có hoạt tính hóa học hơn (lưu huỳnh) và các chất phụ gia (kali).

Trong máy phát MHD chu trình kín, mặc dù có các loại khí trơ không hoạt động hóa học nhưng lại có một chất phụ gia hoạt động hóa học rất mạnh (Caesium).

NHIỆT ĐỘ 2000  3000 K.
Ngoài ra, loại gió khá nóng và hoạt động hóa học này còn có

TỐC ĐỘ 1000 2000 m/s.

Chỉ những hợp chất chịu lửa nhất (Al₂O₃, MgO) mới có thể chịu được các điều kiện như vậy. Chúng được sử dụng làm chất cách điện cho các bức tường của kênh MHD. Và kim loại cũng không thể chịu được các điều kiện đó. Do đó, các điện cực được làm không phải từ kim loại mà từ các hợp chất hóa học dẫn điện và hỗn hợp của chúng (ZrO₂+CeO₂, ZrO₂+La₂O₃, LaCrO₃, v.v.). Tuy nhiên, độ bền của những vật liệu này cũng còn nhiều điều đáng mong đợi. Nhiều nỗ lực nhằm bảo vệ các điện cực khỏi tác động của dòng khí nóng vẫn chưa thành công hoàn toàn. Nếu “vấn đề về kênh” và một số vấn đề khác, phức tạp không kém (nam châm điện mạnh, lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao) có thể được giải quyết, thì điều sau đây sẽ mở ra cho máy phát MHD.

Triển vọng ứng dụng.

1. MÁY PHÁT ĐIỆN MHD CÓ CHU KỲ MỞ NGUỒN NHIÊN LIỆU TỰ NHIÊN NHƯ PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG HIỆU QUẢ TỐI ĐA.

Một máy phát điện như vậy sẽ hoạt động bằng than, dầu hoặc khí đốt, có hiệu suất 50-60% (với sơ đồ hai giai đoạn: máy phát MHD + tua bin nhà máy nhiệt điện ở đầu ra). Ví dụ, để tạo ra công suất 2000 MW, máy phát điện (MHD+TES) phải có tiết diện 9 m2 (d=h=3 m) và chiều dài 15 m. Vận tốc khí trong kênh sẽ là 1500 m/s, từ trường 5 Tesla. Mỗi giây trong buồng đốt, hai tấn nhiên liệu sẽ được chuyển thành hỗn hợp khí CO₂+H₂O, được làm nóng đến 2500 K và 20 kg phụ gia K₂CO₃ sẽ được thêm vào đầu kênh mỗi giây. Sự tương ứng khí trong kênh sẽ là 0,02 ohms. Một thông số quan trọng của máy phát MHD ở giai đoạn nhiệt độ cao của nhà máy nhiệt điện sẽ là thời gian vận hành liên tục - bạn không thể dừng nhà máy điện MHD quá thường xuyên để sửa chữa kênh. (Đảm bảo thời gian vận hành liên tục lâu dài là một vấn đề quan trọng khác trong việc tạo ra các máy phát MHD mạnh mẽ.) Trên máy phát U25 MHD hiện tại (công suất tối đa 20 MW), thời gian vận hành liên tục khoảng 10 ngày đã đạt được khi vận hành ở công suất 3 MW. Nhưng để việc sử dụng máy phát điện MHD có hiệu quả kinh tế thì công suất phải tăng lên gấp 10-100 lần.

2. MÁY PHÁT ĐIỆN MHD CÓ CHU KỲ MỞ NGUỒN NHIÊN LIỆU TỰ NHIÊN ĐỂ BẮT BUỘC “TẢI ĐỈNH” TRONG MẠNG ĐIỆN.

Các nhà máy điện như vậy được gọi là “đỉnh” hoặc “nửa đỉnh”, trái ngược với “phụ tải nền”. Mức tiêu thụ năng lượng thay đổi trong ngày - ví dụ, ở các thành phố, “phụ tải cao điểm” xảy ra vào buổi tối. Việc thay đổi phương thức vận hành của các nhà máy nhiệt điện thường khá khó khăn, buổi tối không đủ năng lượng. Tình hình có thể được giảm bớt nếu bạn có máy phát MHD có công suất phù hợp, vì việc bật hoặc thay đổi chế độ vận hành mất vài phút. Máy phát điện như vậy sẽ chỉ bật trong thời gian “tải cao điểm” và tăng công suất của nhà máy điện khi cần thiết.

3. MÁY PHÁT ĐIỆN MHD LÀ NGUỒN ĐIỆN MẠNH MẼ TẠI ĐỊA PHƯƠNG CHO TIÊU THỤ NGẮN HẠN.

Để cấp nguồn cho các cài đặt vật lý thử nghiệm, nó thường được yêu cầu