Генератор електроенергії із плазмовим катодом. Передача електроенергії на відстані

Про перспективність МГД генераторів чув майже кожен, хто цікавився енергетикою. А ось те, що ці генератори перебувають у статусі перспективних вже понад 50 років, відомо небагатьом. Про проблеми, пов'язані з плазмовими МГД генераторами, йдеться у статті.

Історія з плазмовими, або магнітогідродинамічними (МГД) генератораминапрочуд схожа на ситуацію з . Здається, що потрібно зробити тільки один крок або прикласти невелике зусилля, і пряме перетворення тепла на електричну енергіюстане звичною реальністю. Але ще одна проблема відсуває цю реальність на невизначений час.

Насамперед, про термінологію. Плазмові генератори є одним з різновидів МГД генераторів. А ті, у свою чергу, отримали свою назву за ефектом появи електричного струмупід час руху електропровідних рідин (електролітів) у магнітному полі. Ці явища описуються та вивчаються в одному з розділів фізики. магнітогідродинаміці. Звідси й одержали свою назву генератори.

Історично перші експерименти щодо створення генераторів проводилися з електролітами. Але результати показали, що розігнати потоки електролітів до надзвукових швидкостей дуже важко, а без цього ККД (коефіцієнт корисної дії) генераторів надзвичайно низький.

Подальші дослідження проводилися з високошвидкісними іонізованими потоками газу або плазмою. Тому сьогодні, говорячи про перспективи використання МГД генераторів, Треба мати на увазі, що йдеться виключно про плазмовий їх різновид.

Фізично ефект появи різниці потенціалів та електричного струму при русі зарядів у магнітному полі аналогічний. Ті, хто працював із датчиками Холла, знають, що при проходженні струму через напівпровідник, поміщений у магнітне поле, на обкладках кристала, перпендикулярних лініям магнітного поля, З'являється різниця потенціалів. Тільки в МГД генераторах замість струму пропускають провідне робоче тіло.

Потужність МГД генераторів безпосередньо залежить від провідності речовини, що проходить через його канал, квадрата його швидкості і квадрата напруженості магнітного поля. З цих співвідношень зрозуміло, що чим більше провідність, температура і напруженість поля, тим вище потужність, що відбирається.

Всі теоретичні дослідження з практичного перетворення тепла на електрику були виконані ще в 50-х роках минулого століття. Через десятиліття з'явилися дослідно-промислові установки «Марк-V» у США потужністю 32 МВт і «У-25» у СРСР потужністю 25 МВт. З того часу ведеться відпрацювання різних конструкційта ефективних режимів роботи генераторів, випробування різноманітних типів робочих тіл та конструкційних матеріалів. Але широкого промислового використання плазмові генератори не дійшли.

Що ми маємо сьогодні? З одного боку, вже працює комбінований енергоблок із МГД генератором потужністю 300 МВт на Рязанській ГРЕС. ККД власне генератора перевищує 45%, тоді як ККД звичайних теплових станцій рідко сягає 35%. У генераторі використовується плазма з температурою 2800 градусів, отримана при згорянні газу, і .

Здається, плазмова енергетика стала реальністю. Але подібні МГД генератори у світі можна порахувати на пальцях, і вони створені ще в другій половині минулого століття.

Перша причина очевидна: для роботи генераторів потрібні жароміцні конструкційні матеріали. Частина матеріалів розроблена в рамках виконання програм термоядерного синтезу. Інші використовуються в ракетобудуванні та засекречені. У будь-якому випадку ці матеріали надзвичайно дорогі.

Інша причина полягає в особливостях роботи МГД генераторів: вони виробляють виключно постійний струм. Тому потрібні потужні та економічні інвертори. Навіть сьогодні, незважаючи на досягнення напівпровідникової техніки, подібне завдання до кінця не вирішено. Без цього передати величезні потужності споживачам неможливо.

Не вирішено повністю і завдання створення надсильних магнітних полів. Навіть застосування надпровідних магнітів не вирішує проблеми. Всі відомі надпровідні матеріали мають критичну величину напруженості магнітного поля, вище за яку надпровідність просто зникає.

Можна тільки гадати, що може статися при раптовому переході в нормальний станпровідників, у яких щільність струму перевищує 1000 А/мм2. Вибух обмоток у безпосередній близькості до плазми, розігрітої майже до 3000 градусів не викличе глобальної катастрофи, але дорогий МГД генератор виведе з ладу напевно.

Залишаються проблеми розігріву плазми до більш високих температур: при 2500 градусах і добавках лужних металів (калію) провідність плазми, проте, залишається дуже низькою, незрівнянною з провідністю міді. Але підвищення температури вимагатиме знову нових жароміцних матеріалів. Коло замикається.

Тому всі створені на сьогодні енергоблоки з МГД генераторами демонструють швидше рівень досягнутих технологій, ніж економічну доцільність. Престиж країни – це важливий чинник, але будувати в масовому порядку дорогі та примхливі МГД генератори сьогодні дуже невигідно. Тому навіть найпотужніші МГД генератори залишаються у статусі дослідно-промислових установок. На них інженери та вчені відпрацьовують майбутні конструкції, випробовують нові матеріали.

Коли закінчиться ця робота, важко сказати. Достаток різних конструкцій МГД генераторів говорить про те, що до оптимального рішенняще далеко. А інформація про те, що ідеальним робочим тілом для генераторів МГД є плазма термоядерного синтезу, відсуває широке застосуванняїх до середини ХХ століття.

Щоб розрізати товсту металеву заготовку, можна скористатися трьома інструментами: болгаркою, газовим кисневим пальником та апаратом плазмового зварювання. За допомогою першого виходить рівний та акуратний зріз, але тільки по прямій лінії, другим можна різати візерунки, але зріз виходить з напливами металу та рваним. А ось третій варіант – це рівні різані кромки, які не потребують додаткової обробки. До того ж різати таким чином метал можна по будь-якій кривій лінії. Щоправда, коштує плазмотрон недешево, тому у багатьох домашніх майстрів виникає питання, а чи можна виготовити цей пристрій самостійно. Звичайно, можна головне зрозуміти принцип роботи плазмотрону.

А принцип досить простий. Усередині різака встановлений електрод із міцного та жаростійкого матеріалу. По суті це дріт, на яку подається електричний струм. Між нею та соплом різака запалюється дуга, яка нагріває простір усередині сопла до 7000С. Після цього всередину сопла подається стиснене повітря. Він нагрівається та іонізується, тобто стає провідником електричного струму. Його електропровідність стає такою самою, як і у металу.

Виходить так, що саме повітря - це провідник, який при зіткненні з металом утворює коротке замикання. Так як стиснене повітря має високим тискомвін намагається вийти з сопла з великою швидкістю. Це іонізоване повітря з великою швидкістю і є плазмою, температура якої більше 20000С.

При цьому, стикаючись з металом, що розрізається, між плазмою і заготовкою утворюється дуга, як і у випадку з електродним зварюванням. Розігрів металу відбувається моментально, площа розігріву дорівнює перерізу отвору в соплі. Метал деталі, що розрізається, відразу переходить у рідкий стані плазмою видмухується з місця розрізу. Так і відбувається різання.

З принципу роботи апарату плазмового різаннястає зрозумілим, що для проведення цього процесу буде потрібно джерело електричного живлення, джерело стиснутого повітря, пальник, до складу якого входить сопло з жароміцного матеріалу, кабелі для подачі електроенергії та шланги для подачі стисненого повітря.

Оскільки йдеться про плазмотрон, який збиратиметься своїми руками, необхідно враховувати момент, що обладнання має бути недорогим. Тому як джерело живлення електроенергією вибирається зварювальний інвертор. Це недорогий апарат із гарною стабільною дугою, за його допомогою можна непогано заощадити на споживанні електричного струму. Щоправда, різати їм можна металеві заготовки завтовшки трохи більше 25 мм. Якщо є необхідність збільшити цей показник, тоді доведеться використовувати замість інвертора зварювальний трансформатор.

Щодо джерела стисненого повітря, то тут проблем виникнути не повинно. Звичайний компресор тиском 2-2,5 атмосфери чудово підтримуватиме стабільну дугу для різання. Єдине, на що необхідно звернути увагу, це обсяг повітря, що видається. Якщо процес різання металів буде тривалим, компресор може не витримати такої інтенсивної роботи. Тому після нього рекомендується встановити ресивер. По суті, це ємність, в якій акумулюватиметься повітря під необхідним тиском. Тут важливо провести налаштування так, щоб зниження тиску в ресивері відразу ставало причиною включення компресора для наповнення ємності стисненим повітрям. Компресори в комплекті з ресивером сьогодні продаються, як єдиний комплекс.

Найскладніший у виготовленні елемент плазмотрону – це пальник із соплом. Найпростіший варіант – це купити готове сопло, а краще кілька його видів із різними діаметрами його отвору. Таким чином можна, змінюючи сопло, проводити різання різної ширини. Стандартний діаметр – 3 мм. Хтось із домашніх майстрів робить сопла своїми руками із жароміцних металів, які дістати не так просто. Тож простіше купити.

Встановлюється сопло на різак, він просто накручується на кінець пальника. Якщо використовується в саморобному плазмотроні інвертор, то його комплект входить рукоятка, на яку можна насадити куплене сопло.

Обов'язкові елементи плазмотрону – зварювальний кабель та шланг. Їх зазвичай поєднують в один комплект, що створює зручність їх використання. Здвоєний елемент рекомендується заізолювати, наприклад, встановити всередину гумового шлангу.

І ще один елемент саморобного плазмотрону – це осцилятор. Його призначення - запалити дугу на самому початку роботи, тобто, цей прилад створює первинну іскру для підпалу електрода, що не плавиться. При цьому торкатися кінцем розхідника поверхні металу не потрібно. Працюють осцилятори як на змінному, так і на постійному струмі. Якщо в заводських апаратах цей прилад встановлений усередині корпусу обладнання, то в саморобних його можна встановити поруч із інвертором, підключивши дроти.

Необхідно розуміти, що осцилятор призначається лише для запалювання дуги. Тобто після її стабілізації прилад повинен бути відключений. Схема підключення полягає в використанні реле, з якого контролюється процес стабілізації. Після вимкнення пристрою дуга працює безпосередньо від інвертора.

Як бачите, ніякі креслення для збирання плазмотрона своїми руками не потрібні. Вся збірка проводиться досить просто, головне дотриматися правил техніки безпеки. Наприклад, зварювальний кабель з'єднується на болтах, шланги для стисненого повітря на заводських обтисканнях та хомутах.

Як працює саморобний плазмотрон

В принципі, саморобний плазмотрон працює так само, як і заводський. Щоправда, він має власний ресурс, залежить переважно від матеріалу, з якого виготовлено сопло.

Спочатку включається осцилятор та інвертор, через які струм подається на електрод. Відбувається його підпал. Управління підпалом здійснюється кнопкою, розташованою на ручці пальника.
Секунд 10-15, за цей час чергова дуга заповнить собою весь простір між електродом та соплом. Тепер можна подавати стиснене повітря, тому що за цей час температура всередині сопла досягне 7000С.
Як тільки із сопла вирветься плазма, можна переходити до процесу різання металу.
Дуже важливо правильно вести пальник уздовж наміченого контуру різання. Наприклад, якщо швидкість просування різака невелика, то це гарантія, що ширина різу буде великою, плюс краї будуть точно нерівними з напливами і кострубатими. Якщо швидкість руху різака, навпаки, буде великою, то розплавлений метал погано видуватимуть із зони різання, що призведе до утворення рваного різу, втратиться його безперервність. Тому досвідченим шляхом необхідно підібрати швидкість різання.

Дуже важливо правильно підібрати матеріал для виготовлення електрода. Найчастіше для цього використовують гафній, берилій, торій чи цирконій. У процесі на них високих температур лежить на поверхні утворюються тугоплавкі оксиди цих металів, отже електрод їх руйнується повільно. Щоправда, нагрітий берилій стає радіоактивним, а торій починає виділяти токсичні речовини. Тому оптимальний варіант- Це електрод з гафнію.

Стабілізація тиску на виході з ресивера забезпечується встановленим редуктором. Коштує він недорого, проте вирішує проблему рівномірного надходження стиснутого повітря на сопло різака.

Усі роботи з експлуатації саморобного апаратуплазмового різання повинні проводитися тільки в захисному одязі та взутті. Обов'язково одягаються рукавички та окуляри.

Щодо розмірів сопла, то робити його дуже довгим не рекомендується. Це призводить до швидкого його руйнування. До того ж дуже важливо провести правильне налаштування режиму різання. Справа в тому, що іноді в саморобних плазморізах з'являється не одна дуга, а дві. Це негативно впливає на роботу самого апарату. І, звичайно, це зменшує термін його експлуатації. Просто сопло починає швидше руйнуватися. Та й інвертор такого навантаження може не витримати, тому є ймовірність виходу його з ладу.

І останнє. Характерна рисаданого виду різання металів - це його плавка тільки в тому місці, на яке впливає плазмовий потік. Тому необхідно домогтися того, щоб пляма різу знаходилася по центру кінця електрода. Навіть мінімальне зміщення плями призведе до відхилення дуги, що створить умови утворення неправильного різання, а відповідно до зниження якості самого процесу.

Як бачите, малюнок процесу різання залежить від багатьох факторів, тому, збираючи плазмотрон без допомоги фахівців своїми руками, необхідно точно дотримуватись усіх вимог до кожного елемента та приладу. Навіть невеликі відхилення зменшать якість різу.

Плазмовий генератор - плазмотрон

Якщо тверда речовина сильно нагріти, вона перетвориться на рідину. Якщо підняти температуру ще вище - рідина випарується і перетвориться на газ.

Але що станеться, якщо продовжувати підвищувати температуру? Атоми речовини почнуть втрачати свої електрони, перетворюючись на позитивні іони. Замість газу утворюється газоподібна суміш, що складається з електронів, іонів і нейтральних атомів, що вільно рухаються. Вона називається плазмою.

У наш час плазма знаходить широке застосування в самих різних областяхнауки та техніки: для термічної обробки металів, нанесення на них різних покриттів, плавки та інші металургійні операції. У Останнім часомплазму почали широко використовувати хіміки. Вони з'ясували, що у струмені плазми сильно збільшується швидкість та ефективність багатьох хімічних реакцій. Наприклад, вводячи в струмінь водневої плазми метан, можна перетворити його на дуже цінний ацетилен. Або розташувати пари нафти на ряд органічних сполук - етилен, пропілен та інші, які служать надалі важливим сировиною для отримання різних полімерних матеріалів.

Схема плазмового генератора - плазмотрон

1 - плазмовий струмінь;

3 – дуговий розряд;

4 - канали "закрутки" газу;

5 - катод із тугоплавкого металу;

6 - плазмоутворюючий газ;

7 - державка електрода;

8 – розрядна камера;

9 - соленоїд;

10 – мідний анод.

Як створити плазму? Для цього і служить плазмотрон, чи плазмовий генератор.

Якщо помістити в посудину з газом металеві електроди та прикласти до них високу напругу, то відбудеться електричний розряд. У газі є вільні електрони. Під впливом електричного струму вони розганяють і, зіштовхуючись з нейтральними атомами газу, вибивають їх електрони і утворюють електрично заряджені частинки - іони, тобто. іонізують атоми. Електрони, що звільнилися, теж прискорюються електричним полемта іонізують нові атоми, ще збільшуючи кількість вільних електронів та іонів. Процес розвивається лавиноподібно, атоми речовини дуже швидко іонізуються і речовина перетворюється на плазму.

Цей процес відбувається у дуговому плазмотроні. Висока напруга створюється в ньому між катодом і анодом, якою може служити, наприклад, метал, який потрібно обробити за допомогою плазми. У простір розрядної камери подається плазмоутворююча речовина найчастіше газ - повітря, азот, аргон, водень, метан, кисень і т.д. Під дією високої напругиу газі виникає розряд, і між катодом та анодом утворюється плазмова дуга. Щоб уникнути перегріву стін розрядної камери, їх охолоджують водою. Пристрої такого типу називають плазмотронами із зовнішньою плазмовою дугою. Застосовуються вони для різання, зварювання, розплавлення металів та ін.

Дещо інакше влаштований плазмотрон для створення плазмового струменя. Плазмоутворюючий газ з великою швидкістю продувається через систему спіральних каналів і підпалюється в просторі між катодом і стінками розрядної камери, які є анодом. Плазма, закручена завдяки спіральним каналам в щільний струмінь, викидається із сопла, причому його швидкість може досягати від 1 до 10000 м/с. «Віджати» плазму від стін камери і зробити її струмінь більш щільним допомагає магнітне поле, яке створюється котушкою індуктивності. Температура струменя плазми на виході із сопла - від 3000 до 25000 К.

Вдивіться ще раз у цей малюнок. Чи не нагадує він вам щось добре відоме?

Звісно, це реактивний двигун. Силу тяги в реактивному двигуні створює струмінь гарячих газів, що викидаються з великою швидкістю із сопла. Чим більша швидкість, тим більша сила тяги. А чим гірша плазма? Швидкість у струменя цілком підходяща - до 10 км/с. А за допомогою спеціальних електричних полів можна прискорити плазму ще більше - до 100 км/с. Це приблизно у 100 разів більше швидкостігазів у існуючих реактивних двигунах. Значить, і потяг у плазмових або електрореактивних двигунів може бути більшим, і витрата палива можна буде набагато зменшити. Перші зразки плазмових двигунів вже випробувані у космосі.