Máy phát điện từ trường: thiết bị, nguyên lý hoạt động và mục đích

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Không phải tất cả các nguồn năng lượng thay thế trên hành tinh Trái đất đều được nghiên cứu và ứng dụng thành công cho đến nay. Tuy nhiên, nhân loại đang tích cực phát triển theo hướng này và tìm ra những lựa chọn mới. Một trong số chúng là lấy năng lượng từ chất điện phân, chất này nằm trong từ trường.

Hiệu ứng thiết kế và nguồn gốc của tên

Những công trình đầu tiên trong lĩnh vực này là của Faraday, người đã làm việc trong điều kiện phòng thí nghiệm vào đầu năm 1832. Ông đã nghiên cứu cái gọi là hiệu ứng từ động lực học, hay đúng hơn, ông đang tìm kiếm một động lực điện từ và cố gắng áp dụng thành công nó. Dòng chảy của sông Thames được sử dụng như một nguồn năng lượng. Cùng với tên của hiệu ứng, việc lắp đặt cũng nhận được tên của nó - một máy phát điện từ động lực học.

Thiết bị MHD này trực tiếp chuyển đổi mộtdạng năng lượng thành dạng khác, cụ thể là cơ năng thành điện. Các tính năng của một quá trình như vậy và mô tả nguyên tắc hoạt động của nó nói chung được mô tả chi tiết trong từ động lực học. Bản thân máy phát điện được đặt tên theo kỷ luật này.

Mô tả hành động hiệu ứng

Trước hết, bạn nên hiểu những gì xảy ra trong quá trình hoạt động của thiết bị. Đây là cách duy nhất để hiểu nguyên lý hoạt động của máy phát điện từ động lực học. Hiệu ứng này dựa trên sự xuất hiện của điện trường và tất nhiên, dòng điện trong chất điện phân. Loại thứ hai được thể hiện bằng nhiều phương tiện khác nhau, ví dụ, kim loại lỏng, plasma (khí) hoặc nước. Từ đó chúng ta có thể kết luận rằng nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, sử dụng từ trường để tạo ra điện.

Hóa ra là vật dẫn phải cắt với đường sức của trường. Đến lượt nó, đây là điều kiện bắt buộc để các dòng ion mang điện tích trái dấu liên quan đến các hạt chuyển động bắt đầu xuất hiện bên trong thiết bị. Cũng cần lưu ý hành vi của các đường trường. Từ trường được tạo ra từ chúng di chuyển bên trong vật dẫn theo hướng ngược lại với từ trường nơi chứa các điện tích ion.

Định nghĩa và lịch sử của trình tạo MHD

Lắp đặt là thiết bị chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng. Nó hoàn toàn áp dụng những điều trênHiệu ứng. Đồng thời, máy phát điện từ động lực học có thời được coi là một ý tưởng khá sáng tạo và đột phá, việc chế tạo những mẫu thử đầu tiên đã chiếm trọn tâm trí của các nhà khoa học hàng đầu thế kỷ XX. Chẳng bao lâu, nguồn tài trợ cho các dự án như vậy đã cạn kiệt vì những lý do không hoàn toàn rõ ràng. Các bản cài đặt thử nghiệm đầu tiên đã được hoàn thiện, nhưng việc sử dụng chúng đã bị hủy bỏ.

Những thiết kế đầu tiên của máy phát điện động lực học được mô tả từ năm 1907-910, tuy nhiên, chúng không thể được tạo ra do một số đặc điểm vật lý và kiến trúc mâu thuẫn. Ví dụ, chúng ta có thể dẫn chứng rằng vật liệu chưa được tạo ra có thể hoạt động bình thường ở nhiệt độ hoạt động 2500-3000 độ C trong môi trường khí. Mô hình của Nga được cho là sẽ xuất hiện trong một chiếc MGDES được chế tạo đặc biệt ở thành phố Novomichurinsk, nằm trong vùng Ryazan, gần nhà máy điện của bang. Dự án đã bị hủy bỏ vào đầu những năm 1990.

Cách thiết bị hoạt động

Thiết kế và nguyên tắc hoạt động của máy phát điện từ động lực học phần lớn lặp lại những điều đó của các biến thể máy thông thường. Cơ sở là tác dụng của hiện tượng cảm ứng điện từ, tức là trong dây dẫn xuất hiện dòng điện. Điều này là do thực tế là sau này đi qua các đường sức từ bên trong thiết bị. Tuy nhiên, có một sự khác biệt giữa máy phát điện và máy phát điện MHD. Nó nằm trong thực tế rằng đối với các biến thể từ thủy động lực học nhưdây dẫn được sử dụng trực tiếp bởi chính cơ quan làm việc.

Hành động này cũng dựa trên các hạt mang điện, bị ảnh hưởng bởi lực Lorentz. Chuyển động của chất lỏng làm việc xảy ra trong từ trường. Do đó, có các luồng mang điện tích có hướng hoàn toàn trái ngược nhau. Ở giai đoạn hình thành, máy phát điện MHD chủ yếu sử dụng chất lỏng hoặc chất điện phân dẫn điện. Chính họ là cơ quan làm việc rất hiệu quả. Các biến thể hiện đại đã chuyển sang plasma. Hạt mang điện cho các máy mới là các ion dương và các điện tử tự do.

Thiết kế máy phát điện MHD

Nút đầu tiên của thiết bị được gọi là kênh mà chất lỏng làm việc di chuyển qua đó. Hiện tại, các máy phát điện từ động lực chủ yếu sử dụng plasma làm môi chất chính. Nút tiếp theo là hệ thống các nam châm có nhiệm vụ tạo ra từ trường và các điện cực để chuyển hướng năng lượng sẽ nhận trong quá trình làm việc. Tuy nhiên, các nguồn có thể khác nhau. Cả nam châm điện và nam châm vĩnh cửu đều có thể được sử dụng trong hệ thống.

Tiếp theo, khí dẫn điện và nóng lên đến nhiệt độ ion hóa nhiệt, xấp xỉ 10.000 Kelvin. Sau khi chỉ tiêu này phải được giảm bớt. Thanh nhiệt độ giảm xuống 2, 2-2, 7 nghìn Kelvin do thực tế là các chất phụ gia đặc biệt với kim loại kiềm được thêm vào môi trường làm việc. Nếu không, huyết tương không đủmức độ hiệu quả, bởi vì giá trị độ dẫn điện của nó trở nên thấp hơn nhiều so với độ dẫn điện của cùng một loại nước.

Chu kỳ thiết bị điển hình

Các nút khác tạo nên thiết kế của máy phát điện từ động lực học được liệt kê tốt nhất cùng với mô tả về các quá trình chức năng trong trình tự mà chúng xảy ra.

1. Buồng đốt nhận nhiên liệu nạp vào. Chất oxy hóa và các chất phụ gia khác nhau cũng được thêm vào.
2. Nhiên liệu bắt đầu cháy, cho phép khí tạo thành sản phẩm của quá trình đốt cháy.
3. Tiếp theo, đầu phun của máy phát điện được kích hoạt. Các chất khí đi qua nó, sau đó chúng nở ra và tốc độ của chúng tăng lên bằng tốc độ âm thanh.
4. Hành động đến một buồng truyền từ trường qua chính nó. Trên các bức tường của nó là các điện cực đặc biệt. Đây là nơi các khí đi vào ở giai đoạn này của chu trình.
5. Khi đó cơ thể hoạt động dưới tác dụng của các hạt mang điện sẽ lệch khỏi quỹ đạo sơ cấp của nó. Hướng mới chính xác là vị trí của các điện cực.
6. Công đoạn cuối cùng. Giữa các điện cực được tạo ra dòng điện. Đây là lúc chu kỳ kết thúc.

Các phân loại chính

Có nhiều tùy chọn cho thiết bị đã hoàn thiện, nhưng nguyên lý hoạt động sẽ hầu như giống nhau ở bất kỳ thiết bị nào. Ví dụ, có thể khởi động một máy phát điện từ động lực bằng nhiên liệu rắn giống như các sản phẩm đốt cháy hóa thạch. Cũng như một nguồnnăng lượng, hơi kim loại kiềm và hỗn hợp hai pha của chúng với kim loại lỏng được sử dụng. Theo thời gian hoạt động, máy phát MHD được chia thành dài hạn và ngắn hạn, và loại sau - thành xung và nổ. Nguồn nhiệt bao gồm lò phản ứng hạt nhân, bộ trao đổi nhiệt và động cơ phản lực.

Ngoài ra, còn có phân loại theo kiểu chu trình làm việc. Ở đây sự phân chia chỉ xảy ra thành hai loại chính. Máy phát điện chu trình hở có chất lỏng làm việc trộn với các chất phụ gia. Các sản phẩm cháy đi qua buồng làm việc, tại đây chúng được làm sạch các tạp chất trong quá trình và thải vào khí quyển. Trong một chu trình khép kín, chất lỏng làm việc đi vào bộ trao đổi nhiệt và chỉ sau đó đi vào buồng máy phát. Tiếp theo, các sản phẩm cháy đang chờ máy nén hoàn thành chu trình. Sau đó, chất lỏng hoạt động trở lại giai đoạn đầu tiên trong bộ trao đổi nhiệt.

Tính năng chính

Nếu câu hỏi về cái gì tạo ra máy phát điện từ động lực có thể được coi là hoàn toàn được đề cập, thì các thông số kỹ thuật chính của thiết bị đó nên được trình bày. Điều quan trọng đầu tiên trong số này có lẽ là sức mạnh. Nó tỷ lệ với độ dẫn của chất lỏng làm việc, cũng như bình phương của cường độ từ trường và tốc độ của nó. Nếu chất lỏng làm việc là plasma có nhiệt độ khoảng 2-3 nghìn Kelvin, thì độ dẫn điện tỷ lệ với nó trong 11-13 độ và tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của áp suất.

Bạn cũng nên cung cấp dữ liệu về tốc độ dòng chảy vàcảm ứng từ trường. Đặc điểm đầu tiên trong số những đặc điểm này thay đổi khá rộng rãi, từ tốc độ cận âm đến tốc độ siêu âm lên đến 1900 mét / giây. Còn về cảm ứng của từ trường thì phụ thuộc vào thiết kế của nam châm. Nếu chúng được làm bằng thép thì thanh trên sẽ đặt ở khoảng 2 T. Đối với một hệ thống bao gồm các nam châm siêu dẫn, giá trị này tăng lên đến 6-8 T.

Ứng dụng của máy phát MHD

Việc sử dụng rộng rãi các thiết bị như vậy ngày nay không được quan sát thấy. Tuy nhiên, về mặt lý thuyết có thể xây dựng các nhà máy điện với các máy phát điện từ động lực học. Tổng cộng có ba biến thể hợp lệ:

1. Nhà máy điện nhiệt hạch. Họ sử dụng chu kỳ không nơtron với máy phát MHD. Thông thường sử dụng plasma ở nhiệt độ cao làm nhiên liệu.
2. Nhà máy nhiệt điện. Một kiểu chu trình mở được sử dụng và bản thân việc cài đặt khá đơn giản về các tính năng thiết kế. Chính phương án này vẫn có triển vọng phát triển.
3. Nhà máy điện hạt nhân. Chất lỏng làm việc trong trường hợp này là khí trơ. Nó được đốt nóng trong lò phản ứng hạt nhân theo chu trình khép kín. Nó cũng có triển vọng phát triển. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng phụ thuộc vào sự xuất hiện của các lò phản ứng hạt nhân với nhiệt độ chất lỏng hoạt động trên 2 nghìn Kelvin.

Phối cảnh thiết bị

Mức độ phù hợp của máy phát điện từ động lực phụ thuộc vào một số yếu tố vàvấn đề vẫn chưa được giải quyết. Một ví dụ là khả năng của các thiết bị như vậy chỉ tạo ra dòng điện một chiều, có nghĩa là để bảo trì chúng, cần thiết kế bộ biến tần đủ mạnh và hơn nữa là bộ biến tần tiết kiệm.

Một vấn đề có thể nhìn thấy khác là thiếu các vật liệu cần thiết có thể hoạt động trong thời gian đủ dài trong điều kiện đốt nóng nhiên liệu đến nhiệt độ khắc nghiệt. Điều tương tự cũng áp dụng cho các điện cực được sử dụng trong các máy phát điện như vậy.

Công dụng khác

Ngoài chức năng hoạt động ở trung tâm của các nhà máy điện, các thiết bị này có thể hoạt động trong các nhà máy điện đặc biệt, rất hữu ích cho năng lượng hạt nhân. Việc sử dụng máy phát điện từ động lực học cũng được phép sử dụng trong các hệ thống máy bay siêu thanh, nhưng cho đến nay vẫn chưa có tiến bộ nào trong lĩnh vực này.