اصول عملکرد ژنراتور MHD

اصول عملکرد ژنراتور MHD:

ساختار اصلی یک ژنراتور MHD در شکل زیر نشان داده شده است. در یک مولد MHD گاز داغ توسط یک نازل شتاب گرفته و به یک کانال تزریق می شود.

یک میدان مغناطیسی قوی در سراسر کانال اعمال شده است. مطابق با قانون القای فارادی، یک میدان الکتریکی ایجاد می شود که در جهت عمود بر جریان گاز و میدان مغناطیسی عمل می کند.

دیواره های کانال موازی با میدان مغناطیسی به عنوان الکترود عمل می کنند و ژنراتور را قادر می سازند تا جریان الکتریکی را به یک مدار خارجی تحویل دهد.

توان خروجی یک ژنراتور MHD برای هر متر مکعب از حجم کانال آن متناسب با ضرب رسانایی گاز و مربع سرعت گاز و مربع شدت میدان مغناطیسی است که گاز از آن عبور می کند.

برای اینکه ژنراتور MHD با عملکرد خوب و ابعاد فیزیکی معقول و منطقی کار کند، رسانایی الکتریکی پلاسما باید در یک محدوده دمایی بیش از 1800 کلوین (حدود 1500 درجه سانتی گراد یا 2800 درجه فارنهایت) باشد. پره های توربین نیروگاه گازی در چنین دمایی قادر به کار نیستند.

اگر یک ماده افزودنی (به طور معمول حدود 1 درصد جرم) به گاز داغ تزریق شود، مقدار کافی رسانایی الکتریکی (10 تا 50 زیمنس در متر) حاصل می شود.

این افزودنی یک ماده قلیایی مانند سزیم، پتاسیم کربنات یا سدیم است و از آن به عنوان «دانه» (Seed) یاد می شود.

در این میان، سزیم کمترین پتانسیل یونیزاسیون (3٫894 الکترون ولت) را دارد و پتاسیم (4٫341 الکترون ولت) کم هزینه است. حتی اگر مقدار ماده دانه کم باشد، برای بهره برداری اقتصادی لازم است سیستمی تهیه شود که تا حد امکان مقداری از آن بازیابی شود.

گاز داغ با دانه های خود در فشار چند میلیون پاسکال است و با یک نازل (سرشلنگ) به سرعتی می رسد که می تواند در محدوده 1000 تا 2000 متر (حدود 3300 تا 6600 فوت) در ثانیه باشد. سپس گاز وارد کانال یا مجرایی می شود که میدان مغناطیسی بر آن اعمال شده است.

برای تولید یک سیستم MHD رقابتی، این میدان مغناطیسی باید از شدت بالایی برخوردار باشد. به طور معمول، یک آهنربا (مگنت) ابررسانا برای ایجاد میدان مغناطیسی در محدوده 3 تا 5 تسلا در سراسر کانال استفاده می شود.

یک نیروی محرکه الکتریکی که در جهتی عمود بر جریان (شار) و میدان به وجود می آید و دیواره های موازی با میدان مغناطیسی به عنوان الکترود برای تأمین جریان مدار الکتریکی خارجی عمل می کنند. دو دیواره باقیمانده کانال عایق الکتریکی هستند.

از نظر تئوری، یک سیستم MHD با رسانایی گاز 25 زیمنس در متر، میدان مغناطیسی متوسط 3 تسلا و سرعت متوسط گاز 1000 متر در ثانیه قادر به تولید توان الکتریکی با تراکم حدود 250 میلیون وات بر متر مکعب از حجم کانال است.

یک ویژگی پیچیده ژنراتور MHD پلاسما، بروز اثر هال است. این پدیده در رفتار الکترون ها در حضور میدان های مغناطیسی و الکتریکی مشاهده می شود. الکترون های موجود در پلاسما نسبت به یون ها جنبش بسیار بالاتری دارند.

وقتی جریان بار (Load) از کانال عبور می کند، الکترون های موجود در این جریان نیرویی را تجربه می کنند که در امتداد کانال قرار دارد.

این همان اثر هال است که به خاطر کاشف آن، ادوین اچ. هال، فیزیکدان آمریکایی نام گذاری شده است. در نتیجه این اثر، جریان الکتریکی با زاویه از کانال عبور می کند.

یک میدان الکتریکی اضافه، به نام میدان هال، در امتداد محور کانال ایجاد می شود.

این به نوبه خود مستلزم این است که یا دیواره های الکترود در یک پیکربندی ژنراتور معمولی با در نظر گرفتن پشتیبانی از این میدان هال ساخته شوند (شکل 2 را ببینید) یا اینکه از میدان هال به عنوان خروجی برای برقراری جریان از طریق مدار الکتریکی خارج از سیستم ژنراتور MHD استفاده شود.

تعدادی از پیکربندی های ژنراتور MHD برای مطابقت با اثر هال ساخته شده اند.

در یک «ژنراتور فارادی» (Faraday generator)، همان طور که در قسمت الف شکل 4 نشان داده شده است، دیواره های الکترود برای حمایت از میدان الکتریکی محوری بخش بندی و از یکدیگر عایق شده اند و توان الکتریکی به یک مجموعه بار سری وارد می شود.

در یک پیکربندی جایگزین که به عنوان «ژنراتور هال» (Hall generator) شناخته می شود، همان طور که در قسمت ب شکل 4 نشان داده شده است، میدان فارادی در هر بخش از کانال اتصال کوتاه شده و بخش ها به صورت سری متصل می شوند. این امر امکان اتصال یک بار الکتریکی واحد را بین دو طرف کانال فراهم می کند.

پیکربندی دیگر ژنراتور در قسمت ج شکل 4 نشان داده شده است. با مشاهده پتانسیل الکتریکی در نقاط مختلف کانال درمی یابیم که یک خط هم پتانسیل به صورت مورب از دیواره های عایق عبور می کند و ممکن است الکترودها به طور مناسب برای مطابقت با خطوط هم پتانسیل متصل شوند.

اتصال سری این الکترودها در این ژنراتور مورب اجازه تأمین یک بار الکتریکی را می دهد.

یک جایگزین جذاب برای ژنراتور هال خطی در قسمت ب شکل 4، ژنراتور دیسکی نشان داده شده در قسمت د شکل 4 است.

در این پیکربندی جریان بار به صورت شعاعی عبور می کند و جریان های فارادی اتصال کوتاه شده در مسیرهای دایره ای بسته جریان می یابند.

خروجی هال بین مرکز و پیرامون دیسک ظاهر می شود. این ژنراتور دیسکی وقتی از یونیزاسیون غیرتعادلی استفاده می شود جذاب است.