Реферат: Плазменные технологии и преобразователи энергии

Пример - накопление электричества во время грозы. Источник этого - солнечная энергия. Первые два метода используются для получения электрического тока, однако говорить о практическом использовании упомянутых методов для получения электричества в промышленных масштабах нельзя из-за низкого кпд преобразования (до 20%), малых значений термо-э.д.с., ограничения температуры нагрева механической прочность элементов и другими проблемами.

Существует, однако способ непосредственного получения электрического тока путем использования плазмы, перемещающейся в магнитном поле. Этот способ реализуется в МГД - генераторе. Кинетическая энергия газового потока превращается в электрическую. Из закона электромагнитной индукции:

,

где ε - э.д.с.;

Ф - магнитный поток =  

Движущаяся плазма - проводник тока, пересекающий магнитное поле.

Пусть ширина потока плазмы L, скорость потока v, индукция магнитного поля В: Тогда уравнение преобразуется к виду:

где X - продольная координата.

Подключая генерируемую э.д.с. ε к нагрузке R_Н получим ток:

и окончательно

где R_вн - внутреннее сопротивление „генератора”.

Мощность генератора:

где  - фактор нагрузки (= η = кпд)

Учитывая, что , и подставляя, получаем

где V - объем рабочего тела генератора (V=LhX)

Удельная мощность (на единицу объема)

Максимальную мощность, меняя параметр К получаем при К = 0,5. т.е. R_н = R_вн.

Обозначим

Определяя максимум функции P от K получаем условие максимума: K = 0,5 т.е. максимальная мощность в случае .

η_max(для P_max) = 0,5

при квадратном сечении:

при N_max

Увеличение скорости струи ограничено ее разрушающей способностью (воздействие на стенки, утилизация на выходе).

Значение В также ограничено насыщением сердечника. Наиболее прогрессивный путь увеличения мощности МГД - генератора - ↑ σ.

Если МГД - генератор включен во внешнюю цепь, где поддерживается фиксированное v, то по аналогии с любым другим генератором, он может работать в 2-х режимах - генератором и двигателем. Очевидно если э.д.с. МГД - генератора превышает U сети, имеем генераторный режим, вырабатывается ток

;

Если же наоборот (ε ‹ U), имеем двигательный режим, ток потребляется. Разделяют эти 2 режима: режим холостого хода I = 0. В этом случае ε = U:

, ,

где v₀ - скорость дрейфа плазмы в магнитном поле.

Если v › v₀ - МГД - генератор переходит в генераторный режим;‹ v₀ - МГД - генератор, отбирая энергию из внешнего источника, превращается в ускоритель плазмы.

На принципе МГД - ускорителя работают устройства по перекачке жидких металлов (T ~ 1500 К), агрессивных электролитов и других веществ. Преимущество - нет движущихся частей, возможность полной герметизации канала перекачки, высокая производительность. Этот же принцип может быть использован в плазменных двигателях.

Как мы уже упоминали, наиболее эффективным способом повышения эффективности МГД - генератора является увеличение проводимости σ плазменного потока.

В МГД - генераторе используется низкотемпературная плазма, степень ионизации невысока.

,

где t_еа - характерное время между соударениями еˉ - атом.

N_е - концентрация еˉ.

е, m - заряд и масса еˉ.

,

где λ_еа - длинна свободного пробега еˉ.

,

где N_а - концентрация атомов.

Q_еа - сечение столкновения.

где . .

Если плазма проходит в термодинамическом равновесии, α - подчиняется закону Саха:

где n - концентрация плазмы, откуда

.

При T ~ 3000 К → σ получается на 2-3 порядка ниже рабочей.

Итак видим, что σ сильно зависит от Т. Однако повышение Т›3000К практически невозможно из-за отсутствия достаточно жаростойких материалов. Наиболее перспективный путь Þ уменьшение U_i т.е. введение в плазму легкоионизируемых примесей (Na, K, Cs). Оказывается даже добавка 1% щелочных металлов (щелочей) увеличивает σ на 2-3 порядка. Однако Q_еа (сечение столкновения) для щелочных металлов на 2 порядка выше, чем у инертных газов. Потому для каждой присадки рассчитывается оптимальная концентрация.

Таким образом, создание эффективного МГД - генератора связано прежде всего с решением проблем создания жаростойких изоляционных и проводящих материалов, увеличения индукции магнитного поля, повышение проводимости плазмы.

За счет высокого к.п.д. МГД - генератор существенно меньше воздействует на окружающую среду (тепловое воздействие), образует также меньше выбросов в атмосферу, чем традиционные электростанции, значительно менее опасен в эксплуатации, по сравнению с атомными станциями.

плазма энергия лазерный

Литература

Вихман Э. Берклеевский курс физики. Квантовая физика. - М.: Наука, 2001.

Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. - М.: Наука, 2003.

Гершензон Е.М. и др. Курс общей физики. т.т. 1-2. Механика. - М.: Академия, 2000.

Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс общей физики. - М.: Высшая школа, 1989

Иродов И.Е. Задачи по общей физике. - М.: Бином, 2004.

Иродов И.Е. Механика. Основные законы. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.

Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.

Калашников С.Г. Электричество. - М.: Наука, 2005.

Китель И., Найт У., Рудерман М. Берклеевский курс физики. Механика. - М.: Наука, 2003.

Матвеев А.Н. Курс физики. т.т. 1-4. - М.: Высшая школа, 1976-1989.

Парселл Э. Берклеевский курс физики. Электричество и магнетизм. - М.: Наука, 1.