ચુંબકીય દ્રવ-ગતિકીય જનિત્ર (magnetohydrodynamic generator)

2012-01-10 01:30:00

ચુંબકીય દ્રવ-ગતિકીય જનિત્ર (magnetohydrodynamic generator) : ચુંબકના બે ધ્રુવો વચ્ચે વહન કરતા પ્લાઝમા (વિદ્યુતભારિત અને તટસ્થ કણ ધરાવતું તરલ) દ્વારા ઉત્પન્ન થતી વિદ્યુત-ઊર્જાનો સ્રોત.

પરંપરાગત રીતે ઉષ્મા-ઊર્જાની મદદથી વરાળ ઉત્પન્ન કરી ટર્બાઇન ચલાવવામાં આવે છે. ટર્બાઇન સાથે જોડેલા વિદ્યુત જનિત્રથી વિદ્યુત-ઊર્જા મેળવવામાં આવે છે. આમ, પ્રથમ ઉષ્મા-ઊર્જાનું યાંત્રિક ઊર્જામાં અને યાંત્રિક ઊર્જાનું વિદ્યુત-ઊર્જામાં એમ બે તબક્કામાં રૂપાંતર કરવામાં આવે છે. આને બદલે ચુંબકીય દ્રવ-ગતિકીય જનિત્ર દ્વારા ઉષ્મા-ઊર્જાનું સીધેસીધું વિદ્યુત-ઊર્જામાં રૂપાંતર કરવામાં આવે છે.

ફૅરેડેના ચુંબકીય પ્રેરણના નિયમ પ્રમાણે જ્યારે કોઈ પણ વાહક ચુંબકીય ક્ષેત્રની રેખાઓને કાટખૂણે ગતિ કરે ત્યારે તે વાહકના બે છેડા વચ્ચે વિદ્યુતચાલક બળ (electromotive force) ઉત્પન્ન થાય છે અને આ બે છેડા વચ્ચે અવરોધ રાખતાં તેમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર થાય છે. એમ.એચ.ડી. જનિત્ર આ જ સિદ્ધાંત પર કાર્ય કરે છે, જેમાં વાહકના સ્થાને અતિ ઊંચા તાપમાનવાળો, અંશત: આયનીકરણ કરેલો વાયુ હોય છે. આ વાયુની ઉષ્મા-ઊર્જાનું વિદ્યુત-ઊર્જામાં, એક જ તબક્કામાં રૂપાંતરણ થાય છે (આકૃતિ 1). એમ.એચ.ડી. જનિત્રનો સિદ્ધાંત દર્શાવે છે, તે મુજબ એક વિસ્તરણનલિકા(expanding duct)ના એક છેડાથી ઊંચા તાપમાનવાળો આયનીકૃત (ionized) વાયુ દાખલ થાય છે જે વિસ્તરણ પામી ઊંચી ગતિથી વિસ્તરણનલિકાના બીજા છેડેથી બહાર જાય છે. વાયુની ગતિની નિર્ધારિત દિશાને કાટખૂણે વિસ્તરણનલિકામાં પ્રબળ ચુંબકીય ક્ષેત્ર સ્થાપવામાં આવે છે. ચુંબકીય ક્ષેત્ર અને વાયુની ગતિની દિશા, બંનેને કાટખૂણે, વીજાગ્રોની એક (કે એક કરતાં વધારે) જોડ રાખેલી હોય છે. ઊંચી ગતિથી પસાર થતા વાયુના ધન આયનો એક તરફના વીજાગ્ર તરફ જાય છે જ્યારે ઋણ આયનો (એટલે કે વીજાણુઓ) સામેના બીજા વીજાગ્ર તરફ જાય છે. વીજાગ્રોની જોડનું યોગ્ય રીતે વિદ્યુતજોડાણ કરતાં રાખેલા ભારમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ વહે છે. ઋણ અને ધન આયનોથી મળતો આ પ્રવાહ દિષ્ટ-ધારા (DC) પ્રકારનો હોઈ ઇન્વર્ટર (inverter) પરિપથની મદદથી તેનું યોગ્ય આવૃત્તિવાળા પ્રત્યાવર્તી (alternating) ધારામાં રૂપાંતર કરવામાં આવે છે. આકૃતિ 2માં સાદું એમ.એચ.ડી. જનિત્ર દર્શાવ્યું છે. આકૃતિ 3 એમ.એચ.ડી. સંયંત્ર(plant)ની રચનાની રૂપરેખા દર્શાવે છે.

આકૃતિ 1 : એમ.એચ.ડી. ઊર્જા રૂપાંતરણનો સિદ્ધાંત

આકૃતિ 2 : સાદું એમ.એચ.ડી. જનિત્ર

આકૃતિ 3 : ચક્રની રૂપરેખા (સંવૃત આવર્તન પરિપથ પદ્ધતિ)

એમ.એચ.ડી. જનિત્રમાં વાહકનું સ્થાન વાયુઓએ લીધું હોવાથી વાયુઓનું આયનીકરણ હોવું જરૂરી છે; જે માટે તેમનું તાપમાન ખૂબ ઊંચું લઈ જવું પડે છે. જે પદાર્થનું આયનીકરણ તાપમાન (ionizing temperature) નીચું હોય તેવા પદાર્થો જો વાયુમાં ઉમેરવામાં આવે તો નીચા તાપમાને વાયુનું આયનીકરણ સંભવી શકે છે. આ પ્રક્રિયાને મિશ્રીકરણ (seeding) કહે છે. મિશ્રીકરણથી નીચા તાપમાને વાયુની વાહકતા વધે છે. જોકે આ વાહકતા ધાતુઓની વાહકતા કરતાં તો ઘણી જ નીચી હોય છે. મિશ્રીકરણ કર્યા પછી આયનીકૃત વાયુની વાહકતા લગભગ 10 mho/mથી 100 mho/m વચ્ચે હોય છે. જ્યારે તાંબાની વાહકતા 5 × 107 mho/m છે. મિશ્રીકરણ માટે મુખ્યત્વે આલ્કલી ધાતુઓ વપરાય છે. સીઝિયમ (cesium) ધાતુ સૌથી વધુ યોગ્ય જણાઈ છે. પણ તે મોંઘી હોવાથી પોટૅશિયમ ધાતુનાં સંયોજનો, ખાસ કરીને પોટૅશિયમ કાર્બોનેટ (KCO3) ઉપયોગમાં લેવાય છે. આગૉર્ન (argon) જેવા એકાણ્વિક (mono-atomic) વાયુનું સીઝિયમ ધાતુ સાથે મિશ્રીકરણ કરવાથી લગભગ 1600° –1700° સે. જેટલા નીચા તાપમાને વાયુનું આયનીકરણ મેળવી શકાય છે. વિસ્તરણનલિકામાં આ વાયુઓની ગતિ લગભગ 1000 મીટર/સેકંડ જેટલી ઊંચી રાખવામાં આવે છે.

વીજાગ્રોને ઊંચા તાપમાને કામ કરવાનું હોવાથી તેમની રચના ખાસ સંભાળ માગી લે છે. કેટલાંક રાસાયણિક સંયોજનો મિશ્રિત ઝર્કોનિયા (Zirconia) ધાતુના વીજાગ્રો હાલ ઉપયોગમાં લેવાય છે, પણ તેમના કાર્યને અનુકૂળ પદાર્થો મેળવવા તથા તેમાંથી વીજાગ્રો બનાવવાનું સંશોધન ચાલુ છે.

વિસ્તરણનલિકા, ઉષ્મા-અવરોધક મિશ્રધાતુ, દા. ત., ઇનકોનેલ(inconel)માંથી બનાવવામાં આવે છે. વાતાવરણમાં પ્રસરતી ઉષ્મા ઓછી કરવા વિસ્તરણનલિકાની અંદરની દીવાલો પર મૅગ્નેશિયમ ઑક્સાઇડનું પડ ચડાવવામાં આવે છે, વિસ્તરણનલિકાનું જળશીતન કરવામાં આવે છે.

ચુંબકીય ક્ષેત્રના સ્થાપન માટે વાતશીતિત વિદ્યુતચુંબક વપરાય છે. વિદ્યુતચુંબકમાં થતો ઊર્જાવ્યય ઘટાડવા અતિવાહકતા (super-conductivity) આધારિત વિદ્યુતચુંબકોના ઉપયોગની દિશામાં પ્રયત્ન ચાલુ છે. અતિવાહકતા ઉપર આધારિત વધુ ઊર્જાવાળા વિદ્યુતચુંબકોના ઉપયોગથી પ્રબળ ચુંબકીય ક્ષેત્ર સ્થાપી શકાશે જ્યારે જનિત્રની પ્રદાનશક્તિ (output-power) વધારી શકાશે તેવી અપેક્ષા રાખવામાં આવે છે.

એમ.એચ.ડી. સંયંત્ર બે પ્રકારનાં હોય છે :

1. ખુલ્લા આવર્તન પરિપથ પદ્ધતિ (open-cycle system) આકૃતિ 4.

2. સંવૃત પરિપથ પદ્ધતિ (closed-cycle system) (આકૃતિ 3)

સંવૃત પરિપથ પદ્ધતિના બે પેટા પ્રકાર છે :

(ક) નિષ્ક્રિય વાયુ આધારિત પદ્ધતિ (inert gas system) (આકૃતિ 5).

(ખ) પ્રવાહી ધાતુ આધારિત પદ્ધતિ (liquid metal system) (આકૃતિ 6).

આકૃતિ 4 : ખુલ્લા આવર્તન પરિપથ પદ્ધતિ આધારિત એમ.એચ.ડી. જનિત્રની રૂપરેખા

આકૃતિ 5 : સંવૃત પરિપથ એમ.એચ.ડી. પ્રણાલી

આકૃતિ 6 : બાષ્પજનિત્ર (સાથે) સંકલિત પ્રવાહી ધાતુ આધારિત સંવૃત પરિપથવાળું એમ.એચ.ડી. જનિત્ર

ખુલ્લા આવર્તન પરિપથ પદ્ધતિમાં વાયુનું તાપમાન લગભગ 2300° સે. જેટલું હોય છે; જ્યારે નિષ્ક્રિય વાયુ આધારિત સંવૃત પરિપથ પદ્ધતિમાં આ તાપમાન લગભગ 1700°થી 2000° સે. જેટલું હોય છે. પ્રવાહી ધાતુપદ્ધતિમાં આ તાપમાન 6000થી 1000° સે. જેટલું હોય છે.

ખુલ્લા આવર્તન પરિપથ પદ્ધતિમાં કાર્ય પૂરું થયા પછી ઉપયોગમાં લેવાયેલ વાયુઓમાંથી મિશ્રીકરણ માટે ઉમેરવામાં આવેલ સંયોજનો પરત મેળવી બાકી રહેલા વાયુઓને વાતાવરણમાં છોડી મૂકવામાં આવે છે. સંવૃત આવર્તન પરિપથમાં એકના એક વાયુ તથા પ્રવાહી ઉપયોગમાં લેવાય છે. તેથી વધારે અનુકૂળ વાયુનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જેવા કે આગૉર્ન (argon) અથવા હિલિયમ (helium) જેવા નિષ્ક્રિય વાયુઓ (inert gases). નિષ્ક્રિય વાયુ સમાવિષ્ટ સંવૃત પરિપથ-પદ્ધતિ આધારિત એમ.એચ.ડી. જનિત્ર આધુનિક સમયમાં ખૂબ જ આશાસ્પદ છે. જોકે દરેક પદ્ધતિની એની પોતાની મુશ્કેલીઓ છે જેનો ઉકેલ મેળવવાના વૈજ્ઞાનિક પ્રયત્નો ચાલુ છે.

એમ.એચ.ડી. જનિત્રની સંભાવના સાબિત કરતું પ્રથમ નિર્દેશન 1959માં યુ.એસ.માં થયેલું. 1970માં રશિયામાં 25 મેગાવૉટનું પ્રારંભિક એમ.એચ.ડી. સંયંત્ર સ્થાપવામાં આવ્યું હતું, જે મૉસ્કોની વિદ્યુત ગ્રીડને વિદ્યુતશક્તિ પૂરી પાડે છે. આ સંયંત્રની સફળ કામગીરીથી ઉત્સાહિત થઈને 500 મેગાવૉટ સ્થાપિત ઊર્જા ધરાવતું એક નવું કેન્દ્ર મૉસ્કોની નજીકમાં સ્થાપવાનું નક્કી કરવામાં આવ્યું હતું; જેના એક ભાગ તરીકે 250 મે.વૉ. ઊર્જાનું એક એમ.એચ.ડી. સંયંત્ર પણ છે. જાપાનમાં ટોકિયો નજીક 20 મે.વૉ. ઊર્જાનું એક એમ.એચ.ડી. સંયંત્ર નિર્માણાધીન (in-progress) છે. 1977માં ભારતમાં પણ સંશોધનો ચાલુ થયાં અને માર્ચ 1985માં તિરુચિરાપલ્લી ખાતે 5 મે.વૉ. ઊર્જાનું એક સંયંત્ર સ્થાપવામાં આવ્યું છે, જે ખુલ્લા આવર્તન પરિપથપદ્ધતિ ઉપર કાર્ય કરે છે. ઑગસ્ટ 1985માં એની ઉપર કરવામાં આવેલાં પરીક્ષણો ધાર્યા પ્રમાણેનાં આવ્યાં છે. મોટી ક્ષમતાનાં સંયંત્રો માટે પ્રયત્નો ચાલુ છે. અત્યારે યુ.એસ., રશિયા, પોલૅન્ડ, જાપાન, ફ્રાન્સ, યુનાઇટેડ કિંગ્ડમ, નેધરલૅન્ડ તથા ભારત સહિત ઘણા દેશો એમ.એચ.ડી. આધારિત વિદ્યુતઉત્પાદન માટે પ્રયત્નશીલ છે.

એમ.એચ.ડી. પદ્ધતિના ફાયદા : ઉષ્મા-ઊર્જાનું સીધેસીધું વિદ્યુત-ઊર્જામાં રૂપાંતરણ થવાથી આખી પદ્ધતિની કાર્યક્ષમતા ખૂબ ઊંચી બની છે. ચાલતા પુર્જાઓ (moving parts) નહિ હોવાથી ઘસારો લાગતો નથી અને તેથી પદ્ધતિ વધારે ભરોસાપાત્ર બને છે. સંવૃત પરિપથમાં વાતાવરણની શુદ્ધતા (unpolluted) જળવાઈ રહે છે. જનિત્ર ચાલુ થતાંની સાથે જ પૂરેપૂરો વિદ્યુતબોજ તે ઉપાડી શકે છે. એકસરખી સ્થાપિત ક્ષમતા માટે પ્રણાલીગત ઉષ્માઆધારિત સંયંત્ર કરતાં એમ.એચ.ડી. સંયંત્ર માટે ઓછી જગ્યા જોઈએ છે, તથા તેનો કાર્યકારી ખર્ચ (operational cost) 20 ટકા જેટલો ઓછો રહેશે તેવી ગણતરી છે. મોટી સ્થાપિત ક્ષમતાવાળું એમ.એચ.ડી. સંયંત્ર ઘણું જ કાર્યદક્ષ અને કરકસરયુક્ત સાબિત થશે.

રૂકમાંગદ વા. દવે