ژنراتور MHD

ژنراتور MHD یا ژنراتور مغناطیسی هیدرودینامیکی (magnetohydrodynamic generator) ژنراتوری است که انرژی حرارتی و انرژی جنبشی را به طور مستقیم به برق تبدیل می‌کند. ژنراتور‌های MHD از این نظر از ژنراتور‌های الکتریکی (electric generators) معمولی متفاوت هستند که بدون قطعات متحرک در دما‌های بالا کار می‌کنند. ژنراتور‌های MHD به این دلیل توسعه یافتند که از گاز‌های داغ خروجی از بویلر‌های (boilers) یک نیروگاه (power plant) بخار استفاده کنند و راندمان کلی را افزایش دهند. MHD به عنوان یک سیکل بالادستی (topping cycle) برای افزایش راندمان تولید برق (electric generation) به کار می‌رود؛ به ویژه هنگامی که از سوخت زغال سنگ و یا گاز طبیعی استفاده می‌شود.

یک ژنراتور MHD، مانند یک ژنراتور معمولی متکی بر حرکت یک رسانا در یک میدان مغناطیسی برای تولید جریان الکتریکی است. ژنراتور MHD از پلاسمای داغ به عنوان رسانا استفاده می‌کند. در مقابل، یک دینام مکانیکی با استفاده از حرکت از دستگاه‌های مکانیکی این کار را انجام می‌دهد. ژنراتور MHD از لحاظ فنی برای سوخت‌های فسیلی عملی است، اما با تکنولوژی‌های ارزان‌تر دیگری جایگزین شده است؛ مانند سیکل‌های ترکیبی (combined cycles) که خروجی یک توربین گاز (gas turbine) و یا پیل سوختی کربنات مذاب (molten carbonate fuel cell) بخار را برای راندن یک توربین بخار (steam turbine) به کار می‌گیرند.



تولید برق با استفاده از ژنراتور‌های MHD

به طور معمول، برای یک نیروگاه برق (power station) با مقیاس بزرگ برای نزدیک شدن به راندمان عملیاتی به دست آمده از مدل‌های کامپیوتری، باید گام‌هایی برداشته شود تا هدایت الکتریکی ماده رسانا افزایش یابد. گرمایش گاز به حالت پلاسمایی و یا افزودن دیگر مواد با قابلیت یونیزه شدن راحت مانند املاح و فلزات قلیایی می‌تواند این افزایش را به انجام برساند. در عمل برای استفاده از یک ژنراتر MHD باید مسایلی را در نظر گرفت: راندمان ژنراتور، اقتصاد و محصولات جانبی سمی. این مسایل با انتخاب یکی از سه طرح ژنراتور MHD تحت تاثیر قرار می‌گیرند:

ژنراتور فارادی (Faraday generator)
ژنراتور هال (Hall generator)
ژنراتور دیسکی (disc generator).





ژنراتور فارادی

ژنراتور ساده فارادی را از یک لوله به شکل گوه از مواد نارسانا تشکیل شده است. هنگامی که یک سیال رسانای الکتریکی در حضور یک میدان مغناطیسی قابل توجهی قائم، در لوله جریان یابد یک بار الکتریکی در میدان القا می‌شود که می‌تواند با قرار دادن الکترود‌ها در دو طرف در زاویه ۹۰ درجه با میدان مغناطیسی، برق استخراج شود.

محدودیت‌هایی بر دانسیته و نوع میدان مورد استفاده وجود دارد. میزان توانی که می‌تواند استخراج شود متناسب با سطح مقطع تیوب و سرعت جریان رسانا است. ماده رسانا نیز در اثر این فرآیند سرد می‌شود و سرعت آن کاهش می‌یابد. ژنراتور‌های MHD معمولا دمای ماده رسانا را از دمای پلاسما به بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهند.




مشکل اصلی عملی یک ژنراتور فارادی، ولتاژ‌ها و جریان‌های دیفرانسیل در اتصال کوتاه سیال از الکترود‌های دو طرف داکت است. قدرتمند‌ترین تلفات توسط جریان اثر‌هال (hall effect current) ایجاد می‌شود. این باعث می‌شود که مجرای فارادی بسیار ناکارآمد شود. بیش‌تر اصلاحات بعدی ژنراتور MHD تلاش کرده‌اند این مشکل را حل کنند. میدان مغناطیسی بهینه در ژنراتور‌های MHD، در داکت‌های به شکل زین به وجود می‌آید. برای دریافت این میدان، یک ژنراتور بزرگ نیاز به یک آهن‌ربای بسیار قوی دارد. بسیاری از گروه‌های تحقیقاتی با استفاده از آهن‌ربا‌های ابررسانا به موفقیت‌های مختلفی رسیده‌اند.

ژنراتور هال

متداول‌ترین راه حل، استفاده از اثر هال برای ایجاد یک جریان است که با سیال جریان می‌یابد. طرح معمول این است که آرایه‌ای از الکترود‌های کوتاه عمودی در دو طرف داکت قرار گیرند. الکترود‌های اول و آخر در داکت به بار برق می‌دهند. هر الکترود با الکترود سمت مخالف داکت اتصال کوتاه می‌شود. این اتصالات کوتاه جریان فارادی، یک میدان مغناطیسی قوی داخل مایع القا می‌کنند که در وتر یک دایره در زاویه قائم با جریان فارادی قرار می‌گیرند. این میدان القا شده ثانویه باعث می‌شود که جریان در یک شکل رنگین کمان بین اولین و آخرین الکترود برقرار شود.

تلفات ژنراتور هال از یک ژنراتور فارادی کم‌تر و ولتاژ‌ها بالاتر است، زیرا اتصال کوتاه جریان القایی نهایی کم‌تر است. با این حال این طرح مشکلاتی دارد، زیرا سرعت جریان مواد نیاز به الکترود‌های میانی با یک فاصله دارد تا جریان فارادی را بگیرند. با تغییر بار، سرعت جریان سیال تغییر می‌کند و باعث به هم خوردن تراز جریان فارادی با الکترود‌های مورد نظر می‌شود و این مساله راندمان ژنراتور را بسیار نسبت به بار آن حساس می‌کند.

ژنراتور دیسکی

سومین و در حال حاضر کارآمدترین طراحی، ژنراتور دیسکی اثر هال است. این طراحی در حال حاضر دارای رکورد راندمان و دانسیته انرژی برای تولید MHD است. یک ژنراتور دیسکی دارای سیالی است که بین مرکز یک دیسک و یک کانال که در اطراف لبه دیسک پیچیده شده است، جریان دارد. میدان تحریک مغناطیسی توسط یک جفت سیم‌پیچ میدان دایره هلمهولتز (Helmholtz coils) در بالا و پایین دیسک تشکیل می‌شود. جریان‌های فارادی در یک اتصال کوتاه کامل در اطراف محیط دیسک برقرار می‌شوند. جریان‌های اثر هال بین الکترود‌های رینگی که در نزدیکی مرکز قرار دارند و الکترود‌های رینگی که در نزدیکی محیط قرار دارند، برقرار می‌شوند.



یکی دیگر از مزیت‌های قابل توجه این طرح این است که آهن‌ربا کارآمدتر است. اول آن که خطوط میدان موازی ساده‌ای دارد. دوم به دلیل این که سیال در یک دیسک فرآوری می‌شود، آهن‌ربا می‌تواند به سیال نزدیک‌تر باشد و میدان مغناطیسی به اندازه توان هفتم فاصله افزایش می‌یابد. در نهایت ژنراتور نسبت به توان خود فشرده است؛ به طوری که آهن‌ربا نیز کوچک‌تر می‌شود. در نتیجه آهن‌ربا از درصد کم‌تری از توان تولیدی استفاده می‌کند.

راندمان ژنراتور

از سال ۱۹۹۴، رکورد ۲۲ راندمان برای ژنراتور MHD دیسکی سیکل بسته در موسسه فنی توکیو ایجاد شده است. راندمان ژنراتور‌های MHD هال با داکت زغال‌سنگی معمولی سیکل باز پایین‌تر و نزدیک ۱۷ می‌باشد. این راندمان‌ها MHD را به خودی خود برای تولید برق آب و برق غیرجذاب می‌کند، زیرا نیروگاه‌های سیکل رانکین معمولی به راحتی به ۴۰ درصد می‌رسند.





مقایسه ژنراتور MHD با توربوژنراتور



البته گاز اگزوز از یک ژنراتور MHD که سوخت فسیلی می‌سوزاند تقریبا به اندازه شعله یک بویلر (boiler) معمولی گرم است. با هدایت گاز‌های خروجی از اگزوز برای تولید بخار به یک بویلر، MHD و یک سیکل بخار رانکین (steam Rankine cycle) می‌توانند سوخت‌های فسیلی را با راندمان حدود ۶۰ درصد به برق تبدیل کنند که در مقایسه با آن راندمان یک نیروگاه زغال‌سنگی معمولی ۴۰ درصد است.

 

 

منبع: وب سایت مکانیزم