§ 44. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Превращение механичевкой энергии в электрическую. Возникновение разности потенциалов на концах проводника, движущегося в магнитном поле, дает возможность использовать это явление для получения электрического тока. По такому принципу действуют промышленные генераторы электроэнергии на тепловых, ядерных и гидроэлектростанциях. В них поступательное движение проводников заменено более удобным вращательным.

Откуда же берется энергия для разделения зарядов и появления ЭДС в генераторе? Ведь магнитное поле не совершает работы над движущимися зарядами, так как работа силы всегда перпендикулярной вектору скорости, равна нулю. Работа по разделению зарядов в движущихся проводниках электромагнитного генератора на тепловых электростанциях производится за счет механической энергии пара, давящего на лопатки паровой турбины, на гидроэлектростанциях эта работа совершается за счет механической энергии воды, вращающей гидротурбины, имеющие общий вал с генератором. В этом процессе магнитное поле является только посредником, вызывающим разделение зарядов. Не сила действующая со стороны магнитного поля, выполняет роль сторонней силы, а силы, приводящие во вращение ротор генератора.

Самые мощные в мире генераторы электроэнергии изготовляются и используются в нашей стране.

МГД-генератор. Наиболее распространенный способ получения электроэнергии на тепловых электростанциях довольно сложен. Сначала топливо сжигается в топке парового котла, и получается пар. Затем пар направляется на лопатки турбины и приводит ее в действие. Наконец электромеханический генератор превращает полученную от турбины механическую энергию в энергию электрического тока. На каждом из этапов преобразования одного вида энергии в другой происходят значительные потери энергии. В результате кпд тепловых электростанций обычно не превышает 35—40%. Это значит, что около 60—65% угля, нефти или газа сжигается в топках впустую.

Так как КПД любой тепловой машины в идеальном случае не превышает величины

где — температура нагревателя, а -температура холодильника, то важнейшей задачей при разработке новых способов преобразования энергии является повышение температуры рабочего тела.

Значительного повышения температуры рабочего тела удается добиться в магнитогазодинамических генераторах электроэнергии, сокращенно называемых МГД-генераторами.

Схема устройства МГД-генератора показана на рисунке 90. В камере сгорания при сжигании нефти, керосина или природного газа создается высокая температура (2000—3000 К), при которой газообразные продукты сгорания ионизируются, образуя электронно-ионную плазму. Для повышения электропроводности плазмы в камеру сгорания вводят легкоионизирующиеся вещества: кальций, натрий, цезий. Раскаленная плазма движется по расширяющемуся каналу длиной в несколько метров, в котором ее внутренняя

Рис. 90. Схема устройства МГД-генератора

энергия превращается в кинетическую энергию и скорость возрастает до 2000 м/с и более. Так же как и металлический проводник, плазма в целом нейтральна, но, влетая в область сильного магнитного поля, составляющие ее частицы разных знаков под действием силы разделяются, как показано на рисунке 90. Электроны, достигнув нижнего электрода, движутся во внешней цепи по сопротивлению нагрузки к другому электроду, где нейтрализуют положительные ионы. Мощность, выделяемая во внешней цепи, может быть использована для различных практических нужд.

В режиме холостого хода, когда внешняя цепь разомкнута между электродами возникает наибольшая разность потенциалов, равная ЭДС. В зависимости от конструкции генератора она может достигать нескольких сотен или тысяч вольт.

В МГД-генераторе сильно нагрета только плазма и отсутствуют движущиеся детали, подвергаемые, подобно лопаткам турбин, одновременному воздействию больших механических напряжений и высоких температур. Возможность использовать огнеупорные материалы и применять охлаждение неподвижных металлических детален, соприкасающихся с плазмой, позволяет повысить температуру рабочего тела, а значит, и КПД установки. Для температуры плазмы, равной на входе а на выходе теоретическое значение КПД составляет примерно 90%. Однако в реальных условиях температура отработанных газов на выходе из канала больше 300 К. Но если отработанные и уже не ионизированные продукты сгорания использовать для получения пара и приведения в действие турбины обычного электромашинного генератора, то реальный КПД всей такой установки будет равен 50—60%. А это почти вдвое превышает реальный КПД тепловых электростанций. Следовательно, при том же расходе топлива с помощью МГД-генераторов можно получить вдвое больше электроэнергии.

Еще одним преимуществом МГД-генераторов является то, что они могут развивать полную мощность, измеряемую сотнями миллионов ватт, всего за несколько секунд после запуска. Поэтому МГД-генераторы выгодно применять как резервные источники электроэнергии на случай резкого увеличения потребления энергии в энергосистемах.

Высокий КПД, простота конструкции, малые габариты МГД-генераторов при большой мощности позволяют надеяться, что с преодолением их основного недостатка — сравнительно небольшого срока службы, вызванного износом стенок сопла, - они начнут широко применяться для получения электроэнергии в промышленных масштабах.

Первая опытно-промышленная электростанция с МГД-генера-тором мощностью 25 000 000 Вт была запущена в нашей стране в 1971 г.