ژنراتور MHD چیست و چگونه کار می کند؟ – به زبان ساده


با توجه به بازده کم ناشی از نرخ انتقال حرارت محدود و بازده کم اجزا در موتورهای حرارتی واقعی، سیستمی که از یک ژنراتور MHD استفاده میکند، پتانسیل ارائه بازده نهایی را در محدوده 60 تا 65 درصد خواهد داشت. این عدد بسیار بهتر از بازده 35 تا 40 درصدی است که میتوان در یک نیروگاه رایج مدرن به دست آورد. علاوه بر این، ژنراتورهای MHD آلایندههای کمتری نسبت به نیروگاههای معمولی تولید میکنند. با این حال، هزینههای بالاتر ساخت سیستمهای MHD، اقبال به آنها را محدود کرده است.
اصول عملکرد ژنراتور MHD
ساختار اصلی یک ژنراتور MHD در شکل ۲ نشان داده شده است. در یک مولد MHD گاز داغ توسط یک نازل شتاب گرفته و به یک کانال تزریق میشود. یک میدان مغناطیسی قوی در سراسر کانال اعمال شده است.
مطابق با قانون القای فارادی، یک میدان الکتریکی ایجاد میشود که در جهت عمود بر جریان گاز و میدان مغناطیسی عمل میکند. دیوارههای کانال موازی با میدان مغناطیسی به عنوان الکترود عمل میکنند و ژنراتور را قادر میسازند تا جریان الکتریکی را به یک مدار خارجی تحویل دهد.


یک میدان الکتریکی اضافه، به نام میدان هال، در امتداد محور کانال ایجاد میشود. این به نوبه خود مستلزم این است که یا دیوارههای الکترود در یک پیکربندی ژنراتور معمولی با در نظر گرفتن پشتیبانی از این میدان هال ساخته شوند (شکل ۲ 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 پیکربندیهای ژنراتور MHD برای مطابقت با اثر هال ساخته شدهاند. در یک «ژنراتور فارادی» (Faraday generator)، همانطور که در قسمت الف شکل ۴ نشان داده شده است، دیوارههای الکترود برای حمایت از میدان الکتریکی محوری بخشبندی و از یکدیگر عایق شدهاند و توان الکتریکی به یک مجموعه بار سری وارد میشود.
در یک پیکربندی جایگزین که به عنوان «ژنراتور هال» (Hall generator) شناخته میشود، همانطور که در قسمت ب شکل ۴ نشان داده شده است، میدان فارادی در هر بخش از کانال اتصال کوتاه شده و بخشها به صورت سری متصل میشوند. این امر امکان اتصال یک بار الکتریکی واحد را بین دو طرف کانال فراهم میکند.

یک جایگزین جذاب برای ژنراتور هال خطی در قسمت ب شکل ۴، ژنراتور دیسکی نشان داده شده در قسمت د شکل ۴ است. در این پیکربندی جریان بار به صورت شعاعی عبور میکند و جریانهای فارادی اتصال کوتاه شده در مسیرهای دایرهای بسته جریان مییابند. خروجی هال بین مرکز و پیرامون دیسک ظاهر میشود. این ژنراتور دیسکی وقتی از یونیزاسیون غیرتعادلی استفاده میشود جذاب است.
انواع اصلی سیستمهای MHD
در این بخش، انواع اصلی سیستمهای MHD را معرفی میکنیم.
سیستم MHD با زغالسنگ
انتخاب نوع ژنراتور MHD به سوخت مورد استفاده و کاربرد بستگی دارد. ذخایر فراوان زغالسنگ در جهان به توسعه سیستمهای MHD با زغالسنگ برای تولید برق کمک کرده است. زغالسنگ را میتوان در دمایی که بتواند یونیزاسیون گرمایی ایجاد کند سوزاند. با این حال، با گسترش گاز در امتداد مجرا یا کانال، رسانایی الکتریکی آن همراه با درجه حرارت کاهش مییابد. بنابراین، تولید توان با یونیزاسیون حرارتی اساساً هنگامی که دما به حدود 2500 کلوین (حدود 2200 درجه سانتیگراد یا 4000 درجه فارنهایت) برسد، پایان مییابد.
برای اینکه استفاده از زغالسنگ از نظر اقتصادی رقابتپذیر باشد، یک نیروگاه با سوخت زغالسنگ باید ترکیبی از یک ژنراتور MHD با یک نیروگاه بخار معمولی باشد، در آنچه که چرخه باینری نامیده میشود. گاز داغ ابتدا از ژنراتور MHD (فرایندی معروف به «روکشی» (Topping)) و سپس از توربوژنراتور یک نیروگاه بخار معمولی (مرحله «نشاندن» (Bottoming)) عبور میکند. یک نیروگاه MHD با استفاده از چنین آرایشی به عنوان یک سیستم چرخهباز شناخته میشود.
احتراق زغالسنگ به عنوان منبع گرما چندین مزیت دارد. به عنوان مثال، منجر به سرباره زغالسنگ میشود، که در شرایط مغناهیدرودینامیکی ذوب شده و لایهای را فراهم میکند که تمام دیوارههای عایق و الکترود را پوشش میدهد. رسانایی الکتریکی این لایه برای برقراری هدایت بین گاز و ساختار الکترود کافی است، اما آنقدر زیاد نیست که باعث نشت قابلتوجهی از جریانهای الکتریکی و در نتیجه تلفات توان شود. کاهش تلفات حرارتی دیوارهها به دلیل لایه سرباره، تلفات الکتریکی ناشی از وجود آن را جبران کند.

سایر سیستمهای MHD
نیاز به تولید پالسهای قوی برق در مکانهای از راه دور باعث اقبال به تولید ژنراتورهای MHD پالسی شده است. برای این کاربرد، سیستم MHD اساساً از یک موتور راکت، کانال، آهنربا و اتصالات به یک بار الکتریکی تشکیل شده است. این ژنراتورها به عنوان منابعی برای دستگاههای شنیداری الکترومغناطیسی با توان پالسی مورد استفاده در تحقیقات ژئوفیزیکی به کار میروند. سطح توان این ژنراتورها تا 100 مگاوات در چند ثانیه رسیده است.
استفاده از ژنراتورهای MHD برای تأمین توان فضاپیماها نیز مورد توجه قرار گرفته است. در حالی که هر دو منبع حرارتی شیمیایی و هستهای برای فضاپیماها مورد بررسی قرار گرفته است، ژنراتور MHD برای کاربردهایی مانند تأمین نیروی پیشرانه الکتریکی برای کاوشگرهای دیپ اسپیس (Deep Space) انتخاب ارجح بوده است.
تاریخچه ژنراتورهای MHD
فارادی به زودی توجه خود را به جنبههای دیگر القای الکترومغناطیسی معطوف کرد و تولید برق MHD کمتر مورد توجه قرار گرفت تا دهه 1920 و 30، زمانی که «بلا کارلوویتس» (Bela Karlovitz)، یک مهندس متولد مجارستان، برای اولین بار سیستم MHD گازی را پیشنهاد داد. در سال 1938 او و مهندس «دی. هالاز» (D. Halász) مجارستانی یک مرکز آزمایشی MHD در آزمایشگاههای تحقیقاتی «شرکت برق وستینگهاوس» (Westinghouse Electric) ایجاد کردند و تا سال 1946 نشان دادند که از طریق دانه گاز عامل میتوان مقادیر کمی انرژی الکتریکی استخراج کرد. این پروژه متوقف شد و دلیل آن بیشتر عدم درک شرایط لازم برای تبدیل گاز عامل به عنوان یک رسانای مؤثر بود.
علاقه به مغناهیدرودینامیک در اواخر دهه 1950 به سرعت در پی مطالعات گسترده گازهای یونیزه برای برخی کاربردها افزایش یافت. در سال 1959 مهندس آمریکایی، «ریچارد جی. روزا» (Richard J. Rosa) با تولید تقریباً 10 کیلووات توان الکتریکی اولین مولد MHD واقعاً موفق را ارائه کرد. تا سال 1963 آزمایشگاه تحقیقاتی Avco، تحت هدایت فیزیکدان آمریکایی، «آرتور آر. کانتروویتز» (Arthur R. Kantrowitz)، یک ژنراتور MHD با توان ۳۳ مگاوات ساخت و راهاندازی کرد و برای سالهای طولانی این یک رکورد تولید برق بود.
در اواخر دهه 1960، این فرضیه که توان هستهای در تولید برق تجاری غالب خواهد بود و همچنین عدم یافتن کاربردهایی برای مأموریتهای فضایی، منجر به کاهش شدید تحقیقات در حوزه MHD شد. با این حال، بحران انرژی دهه 1970، با تمرکز بر سیستمهای سوخت زغالسنگ، مجدداً علاقه تحقیقات در این زمینه را ایجاد کرد. در اواخر دهه 1980، توسعه به حدی رسیده بود که ساخت یک سیستم کامل امکانپذیر بود. با این حال، عملکرد و خطرات اقتصادی، شرکتهای برق را از سرمایهگذاری عمیق در چنین سیستمهایی منصرف کرده است. اگر قیمت انرژی یا ملاحظات زیستمحیطی به طور قابل توجهی تغییر کند، این وضعیت ممکن است دگرگون شود.
معرفی فیلم آموزش آشنایی با تکنولوژی نیروگاه های بادی، آبی، بیوماس و امواج
برای آشنایی با نیروگاههای تجدیدپذیر، پیشنهاد میکنیم به آموزش آشنایی با تکنولوژی نیروگاه های بادی، آبی، بیوماس و امواج مراجعه کنید که توسط فرادس تهیه شده و در مدت ۳ ساعت و ۵۷ دقیقه و در قالب ۸ درس تدوین شده است. در درس یکم این آموزش، وضعیت انرژی باد و مبانی احداث نیروگاه بادی بیان شده است. موضوع درس دوم مشخصهها و فیزیک انرژی باد است و در درس سوم ملاحظات طراحی، کنترل و عملکرد توربین بادی شرح داده شده است. مباحث اقتصادی، سیاستگذاری و زیستمحیطی در درس چهارم بیان شدهاند. در درس پنجم تکنولوژی استحصال انرژی از آب و در درس ششم، انرژی امواج مورد بحث قرار گرفتهاند. در درس هفتم به مبانی بیوماس پرداخته شده است و در نهایت، در درس هشتم، تکنولوژی استحصال انرژی از بیوماس معرفی شده است.
- برای مشاهده فیلم آموزش آشنایی با تکنولوژی نیروگاه های بادی، آبی، بیوماس و امواج + اینجا کلیک کنید.
معرفی فیلم آموزش تولید انرژی الکتریکی - بخش اول
آموزش تولید انرژی الکتریکی ۱ در ۱۱ ساعت و ۵۱ دقیقه و در قالب ۱۳ درس ارائه شده است. هدف از درس یکم این فیلم آموزشی، آشنایی کلی با ساختار و اصول کار نیروگاهها و وضعیت تولید برق ایران است. در درس دوم، مسائل اقتصادی و انتخاب نوع نیروگاه مورد بررسی قرار گرفته است. در درسهای سوم تا سیزدهم نیز، به ترتیب، به نیروگاههای بخاری، نیروگاه گازی، نیروگاه سیکل ترکیبی، نیروگاه آبی، نیروگاه هستهای، نیروگاههای بادی، نیروگاههای حرارتی خورشیدی و پنلهای فتوولتائیک، نیروگاه بیومس یا زیستتوده، انرژی هیدروژن و پیلهای سوختی، نیروگاه زمینگرمایی و انرژی امواج و نیروگاههای دریایی پرداخته شده است.
- برای مشاهده فیلم آموزش تولید انرژی الکتریکی - بخش اول + اینجا کلیک کنید.
مطالب مجله فرادرس را در جستجوی گوگل سریعتر ببینید















