МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР С СОЛНЕЧНЫМ ПРИВОДОМ
MAGNETODYNAMIC GENERATOR WITH SOLAR DRIVE

Изобретение относится к магнитогидродинамическому (МГД) способу преобразования энергии, в частности к преобразованию концентрированного солнечного излучения высокой плотности в электрическую энергию.
В настоящее время основным методом получения электрической энергии является преобразование тепловой энергии с помощью паро- и газотурбинных установок в сочетании с электрогенератором. В качестве источников тепловой энергии используются химические топлива и атомные реакторы, а в последнее время и концентрированное солнечное излучение. Учет непрерывной возобновляемости и экологической чистоты энергии солнечного излучения показывает актуальность разработки эффективных методов ее преобразования.
Автор поставил задачу разработать МГД-генератор для преобразования концентрированного солнечного излучения, эффективный при эксплуатации в наземных условиях.
Применение МГД генератора для преобразования концентрированной солнечной энергии дает возможность более эффективного ее использования, т.к. реальный коэффициент полезного действия (КПД) преобразования солнечного излучения через тепловую энергию в электрическую энергию с применением паротурбинного способа или двигателя стирлинга имеет КПД ≈40%, а прямое получение электрической энергии из солнечной с помощью полупроводников еще меньше ≈20%.
Принцип действия МГД-генератора основан на явлении электромагнитной индукции, т.е. на возникновении 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. При этом движении между электродами расположенными внутри канала МГД-генератора наводится электродвижущая сила. Необходимая для работы МГД-генератора проводимость ≈50 мо/м рабочего газа достигается за счет сильного его нагрева ≈3000°С и ввода в газ легко ионизируемых добавок (Роза Р. Магнитогидродинамическое преобразование энергии. - М.: Мир, 1970, с.37, 216). Наиболее эффективными для преобразования тепловой энергии в электрическую являются МГД генераторы замкнутого типа, в которых в качестве рабочего газа обычно используется смесь инертного (основного) газа и присадки - щелочного металла (например, смесь Ar и Cs). Это вызвано достаточно высокой проводимостью такой смеси в диапазоне температур 2000-3000°С, достигаемой благодаря легкоионизуемой присадке щелочного металла, позволяющей проводить преобразование тепловой энергии в электрическую в МГД-процессе.
Известен магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) с солнечным приводом по патенту РФ №2073951, содержащий приемник излучения, МГД-канал с электродами, магнитную систему и устройство создания потока рабочего газа в МГД-генераторе, 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.
В результате взаимодействия с атмосферой интенсивность солнечного излучения у поверхности Земли по сравнению с ее значением в космосе уменьшается в среднем в два раза за счет рассеивания и поглощения излучения. В атмосфере также изменяется и спектральное распределение энергии солнечного излучения. Все это зависит от широты данного места, высоты его положения относительно уровня океана, времени суток, сезона года и облачности. Основным фактором, влияющим на интенсивность солнечного излучения и его спектр при отсутствии облачности, является оптическая длина, проходимая солнечным излучением в атмосфере. Наибольшее влияние этот фактор оказывает на интенсивность ультрафиолетовой части излучения Солнца, сильно уменьшая коротковолновую его часть с длинами <320 нм. Однако именно излучение <320 нм может фотоионизовать присадку (состоящую, например, из атомов цезия), которая вводится в рабочий газ (например, аргон) в известном МГД-генераторе с солнечным приводом. Следовательно, даже в случае применения Cs как присадки возникает трудность с ее фотоионизацией, т.к. для атомов Cs необходимо электромагнитное излучение длиной менее 318,5 нм («Физические величины: справочник», под ред. И.С.Григорьева. - М.: «Энергоатомиздат», 1991 г., с.410), тем более трудна или невозможна однофотонная фотоионизация Rb, К и Na. Однако именно благодаря эффекту фотоионизации повышается КПД данного МГД-генератора и улучшаются его эксплуатационно-технические параметры. Поэтому КПД преобразования концентрированной солнечной энергии в электрическую, в известной МГД-установке, эксплуатируемой у поверхности Земли, существенно уменьшается и зависит от множества вышеперечисленных факторов. Все это ограничивает возможность применения известного МГД-генератора с солнечным приводом.
Основными недостатками известного генератора являются зависимость коэффициента полезного действия преобразования от спектра концентрированного солнечного излучения и недостаточная проводимость рабочего газа вследствие недостаточной степени его ионизации.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, - повышение КПД преобразования концентрированной солнечной энергии в электрическую, благодаря увеличению проводимости ионизованного газа на большем температурном интервале, и уменьшение зависимости КПД преобразования от спектральных характеристик концентрированного солнечного излучения. Это достигается воздействием дополнительного источника излучения на атомы присадки.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в магнитогидродинамическом генераторе с солнечным приводом, содержащем приемник излучения, канал с электродами и магнитную систему, рабочий газ генератора содержит основной газ и присадку, 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 канала и выходным отверстием камеры с теплоизолирующими стенками, причем в выходном сечении канала соосно с каналом установлен элемент ввода концентрированного солнечного излучения в канал, при этом элемент ввода выполнен из тугоплавкого материала, согласно изобретению генератор содержит дополнительный источник излучения, при этом длина волны излучения дополнительного источника излучения соответствует длине волны, определяемой энергией возбуждения атомов присадки или длина волны излучения дополнительного источника излучения составляет не более длины волны, определяемой энергией ионизации атомов присадки рабочего газа.
Возможно, чтобы дополнительный источник излучения был выполнен в виде газоразрядной лампы.
Дополнительный источник излучения, выполненный в виде газоразрядной лампы, может содержать рефлектор, предназначенный для создания направленного потока излучения.
Дополнительный источник излучения может быть выполнен в виде газоразрядной лампы на парах того же металла, что и присадка.
Дополнительный источник излучения может быть выполнен в виде газоразрядной лампы на парах ртути.
Дополнительный источник излучения может быть выполнен в виде лазера с длиной волны, соответствующей длине волны, определяемой энергией возбуждения атомов присадки, при этом лазер снабжен оптическим элементом, предназначенным для расширения потока излучения лазера.
Дополнительный источник излучения может быть выполнен в виде лазера с длиной волны излучения, составляющей не более длины волны, определяемой энергией ионизации атомов присадки, при этом лазер снабжен оптическим элементом, предназначенным для расширения потока излучения лазера.
Целесообразно, чтобы дополнительный источник излучения был расположен таким образом, чтобы обеспечить максимальное перекрытие потоком его излучения объем рабочего газа в канале.
Дополнительный источник излучения может быть расположен напротив выхода канала.
Дополнительный источник излучения может быть расположен в канале генератора.
В зазоре между нагревательным элементом и камерой могут быть расположены на расстоянии друг от друга, а также стенок камеры и нагревательного элемента газопроницаемые тепловые экраны.
В прототипе концентрированное солнечное излучение близко к излучению абсолютно черного тела, т.е. содержит широкий диапазон длин волн. Поэтому считалось, что солнечное электромагнитное излучение, проходящее по каналу генератора, позволяет достичь максимально возможной степени ионизации рабочего газа благодаря фотоионизации атомов присадки и это обеспечивает необходимую проводимость рабочего газа. Однако при эксплуатации МГД-генератора с солнечным приводом у земной поверхности по причинам, указанным выше, вследствие значительного рассеивания и поглощения солнечного излучения с длинами волн <320 нм, КПД МГД-генератора с солнечным приводом существенно ниже, чем при его использовании на высотах более 10 км над поверхностью Земли.
Степень ионизации рабочего газа и ее стабильность может быть повышена дополнительным источником излучения.
Длина волны излучения дополнительного источника излучения для достижения заявленного технического результата должна соответствовать длине волны, определяемой энергией возбуждения атомов присадки рабочего газа, или должна быть не более длины волны, определяемой энергией ионизации атомов присадки рабочего газа. В обоих случаях становится возможным повышение до необходимой величины степени ионизации присадки рабочего газа.
Если длина волны электромагнитного излучения дополнительного источника излучения не превышает длину волны, определяемой энергией ионизации атомов присадки рабочего газа, в этом случае часть атомов присадки в канале МГД-генератора с солнечным приводом ионизируется в процессе нагрева газа и фотоионизации концентрированным солнечным излучением (как в прототипе), а некоторая часть атомов присадки, не ионизованная такими способами, ионизируется в результате воздействия излучения дополнительного источника излучения. Таким образом, увеличивается количество ионизованных атомов присадки рабочего газа, следовательно, повышается и проводимость рабочего газа.
В случае, если длина волны электромагнитного излучения дополнительного источника излучения соответствует длине волны, определяемой энергией возбуждения атомов присадки рабочего газа, тогда результат воздействия дополнительного источника изучения выражается в том, что он обеспечивает понижение энергии, необходимой для ионизации атомов присадки на величину, равную энергии возбуждения.
Известно, что атомы элементов характеризуются энергией ионизации и энергией возбуждения. Например, энергия ионизации цезия (Cs) равна 3,89 эВ, а его энергия возбуждения равна 1,39/1,45 эВ (Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света. - М.-Л., изд. «Энергия», 1966 г., с.29). Это означает, что для ионизации атомов цезия из невозбужденного состояния требуется энергия, равная 3,89 эВ, а для ионизации возбужденных атомов цезия требуется энергия, равная (3,89-1,39/1,45) эВ, т.е. существенно меньшая. Следует учесть, что при возбуждении атомов присадки увеличивается также и эффективность их ионизации, т.к. сечение фотоионизации возбужденных атомов по сравнению с не возбужденными много больше (Ключарев А.Н., Безуглов Н.Н. Процессы возбуждения и ионизации атомов при поглощении света. - Л.: издательство Ленинградского университета, 1983 г., с.150, 151).
Понижение энергии ионизации у возбужденных атомов присадки приводит к тому, что расширяется спектр длин волн, который может фотоионизовать эти атомы присадки до длин волн наиболее интенсивной области спектра солнечного излучения (Ключарев А.Н., Безуглов Н.Н. Процессы возбуждения и ионизации атомов при поглощении света. - Л.: издательство Ленинградского университета, 1983 г., с.150). Соответственно, увеличивается количество атомов газа присадки, которые могут быть ионизованы, т.е. растет проводимость рабочего газа и повышается стабильность ионизации.
Повышение степени ионизации атомов присадки рабочего газа, приводящее к повышению проводимости рабочего газа, позволяет понизить нижнюю температуру рабочего газа, а соответственно и увеличить КПД преобразования солнечной энергии в электрическую.
Повышение проводимости рабочего газа также приводит к снижению тепловых потерь в генераторе в результате джоулевого тепловыделения в его канале.
Дополнительный источник излучения может быть выполнен в виде газоразрядной лампы на парах того же металла, что является присадкой в рабочем газе МГД-генератора или на парах других металлов (например, ртути). Ртутная газоразрядная лампа позволяет осуществлять прямую фотоионизацию атомов не только Cs, но и Rb, К, Na и других возможных эффективных легко ионизуемых присадок в МГД-генераторе с солнечным приводом.
Дополнительный источник излучения может быть выполнен в виде в виде лазера. При этом лазер должен быть снабжен оптическим элементом, предназначенным для расширения потока излучения лазера.
Возможно использование одновременно нескольких дополнительных источников излучения с разными длинами волн, а именно: дополнительных источников излучения с длиной волны, не превышающей длину волны, определяемую энергией ионизации атомов присадки рабочего газа, и дополнительных источников излучения, имеющих длину волны, соответствующую длине волны, определяемой энергией возбуждения атомов присадки рабочего газа.
Расположение и направление излучения дополнительного источника излучения должно быть таково, чтобы его излучение максимально перекрывало объем рабочего газа в МГД-канале.
КПД преобразования энергии электромагнитного излучения солнца в электрическую энергию заявленного изобретения повышается за счет того, что дополнительный источник излучения позволяет:
- обеспечить понижение температуры ионизованного газа при обеспечении необходимой его проводимости;
- максимально повысить проводимость рабочего газа вследствие воздействия на атомы присадки дополнительного источника излучения;
- повысить стабильность ионизации атомов присадки, т.е. повысить стабильность и эффективность работы МГД-генератора в наземных условиях;
- снизить тепловые потери в камере и канале генератора.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором 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, канал 3 с электродами 4, состыкованный своим входным отверстием с выходным отверстием камеры 1, которое совмещено с отверстием нагревательного элемента 2, магнитную систему 5, создающую магнитное поле в канале 3, тугоплавкий элемент ввода 6 излучения, пропускающий концентрированное солнечное излучение в канал 3 генератора, расположенный по оси канала 3 со стороны его выхода. Рабочий газ представляет собой смесь из основного газа - аргона и присадки - цезия. Дополнительный источник 7 излучения, выполненный в виде газоразрядной лампы на парах того же металла, что и присадка (цезиевая лампа). Цезиевая газоразрядная лампа применяется для возбуждения атомов цезия в канале генератора. Дополнительный источник 7 излучения, выполненный, например, в виде кольцеобразной газоразрядной лампы с рефлектором 8, расположен напротив выхода МГД-канала. Рефлектор 8 предназначен для создания направленного излучения от источника 7 излучения. Генератор содержит газопроницаемые тепловые экраны 9, находящиеся между стенками камеры нагрева и нагревательным элементом на некотором расстоянии относительно друг от друга. Газопроницаемые тепловые экраны 9 предназначены для уменьшения тепловых потерь в камере 1 и увеличения температуры нагрева нагревательного элемента 2. Экраны 9 могут быть выполнены из металла с зеркальной поверхностью с отверстиями.
Заявляемый МГД-генератор работает следующим образом: рабочий газ, состоящий из Аr+0,2 ат.% Cs нагнетается компрессором 10 (например, газотурбинным) в пространство между камерой 1 и расположенным внутри нее нагревательным элементом 2, который отделен от стенок камеры 1 серией газопроницаемых тепловых экранов 9. Газ проходит через тепловые экраны 9 и нагревательный элемент 2, нагревается и попадает в канал 3. В канале легкоионизируемая присадка рабочего газа ионизируется в результате нагрева и комбинированного воздействия фотоионизации солнечным излучением с воздействием на атомы присадки дополнительного источника 7 излучения. Ионизированный газ, проходя через канал 3 поперек магнитного поля, созданного в канале 3 магнитной системой 5, совершает работу против тормозящей электромагнитной силы, в результате чего между электродами 4, расположенными в канале 3 генератора, возникает электродвижущая сила. При этом необходимая для работы МГД-генератора проводимость рабочего газа поддерживается его фотоионизацией концентрированным солнечным излучением, проходящим по оси канала 3 со стороны его конца в направлении к поглощающему солнечное излучение нагревательному элементу 2, при этом в канал 3 концентрированное солнечное излучение попадает через тугоплавкий элемент 6 ввода.