RU2073951C1 - Магнитогидродинамический генератор с солнечным приводом - Google Patents

Abstract

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.

Description

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 (3000^oC) 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 2000^oK 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 (100^oC). 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 2000^oC); 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:
большие тепловые потери при данной конструкции полого приемника из-за непосредственного контакта приемника излучения с окружающей средой через его стенки;
наличие промежуточных устройств между нагревателем и МГД-каналом;
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.

Claims (2)

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.

Images