磁流体发电

磁流体发电
能源问题是21世纪世界面临的重大问题之一．能源的开发利用不仅为人类带来了文明和繁荣，也为人类的生存环境带来了巨大的灾难，所造成的温室效应、酸雨、臭氧层空洞、生态失衡以及核燃料污染等问题严重威胁着人类的生存．因此，为实现可持续发展，开发新的能源种类、研究节能新技术、探讨能源与环境的关系已成为世界瞩目的课题．下面具体介绍磁流体发电的一些材料，可供大家参考．
一、磁流体发电的原理
从发电的机理上看，磁流体发电与普通发电一样，都是根据法拉第电磁感应定律获得电能．所不同的是，磁流体发电是以高温的导电流体（在工程技术上常用等离子体）高速通过磁场，以导电的流体切割磁感线产生电动势．这时，导电的流体起到了金属导线的作用．其原理如图1所示．
图1
磁流体发电中所采用的导电流体一般是导电的气体，也可以是液态金属．我们知道，常温下的气体是绝缘体，只有在很高的温度下，例如6000Ｋ以上，才能电离，才有较大的导电率．而磁流体发电一般是采用煤、石油或天然气作燃料，燃料在空气中燃烧时，即使把空气预热到1400Ｋ，也只能使空气达到3000Ｋ的温度，这时气体的导电率还不能达到所需的值，而且即使再提高温度，导电率也提高不了多少，却给工程带来很大困难．那么如何使气体在较低的温度下就能导电，并有较高的导电率?实际中采用的办法是在高温燃烧的气体中添加一定比例的、容易电离的低电离电位的物质，如钾、铯等碱金属化合物．这种碱金属化合物被称为“种子”．在气体中加入这种低电离电位物质的量一般以气体重量的1%为佳．这样气体温度在3000Ｋ左右时，就能达到所要求的导电率．当这种气体以约1000ｍ／ｓ的速度通过磁场时，就可以实现具有工业应用价值的磁流体发电．
二、磁流体发电机的构造
图2
磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体三个主要部件组成．如图2所示的是最简单的磁流体发电机的结构示意图．
燃烧室是燃料燃烧的地方，燃烧所产生的高温气体经喷管提高流动速度，以高温高速进入发电通道，切割磁感线产生电磁感应．这种燃烧室与一般工业用燃烧室相比，具有温度高、体积小、热效率高等特点．但由于加入了低电离电位物质，这就要求燃烧室能耐碱金属的侵蚀．
发电通道是磁流体发电机的核心部件．发电通道由绝缘壁和电极组成．当高温导电气体通过发电通道时，切割磁感线，电极壁的两极就形成电动势，把电离气体的热能转换成电能输出．
用以产生磁场的磁体由铁芯、电磁铁或超导线圈组成．在实际发电中，一般磁感应强度要求达到6～8Ｔ．如果采用空心铜导电磁体，当磁感应强度超过1．5Ｔ时，励磁功率就随磁场的增大而急剧增加，净输出功率反而减小．现在高温临界温度超导体的研究给磁流体发电带来了新的希望．因为只有采用几
乎不需要消耗励磁功率的超导体，磁流体发电才能有高效率．
三、磁流体发电的有关问题
1．发电的效率问题
如果高温的导电气体只用作磁流体发电，它的效率是比较低的．这是因为进入发电通道的导电气体温度一般要求在2800～3000Ｋ，导电气体切割磁感线后温度就降低．当温度降至2000Ｋ时，这些气体就几乎不导电了，从而不能再用于磁流体发电．一般磁流体发电的进气温度为3000Ｋ，排气温度为2000Ｋ，这样其热效率最多能达到20%．如何提高发电的效率?实际中，通常将燃烧型磁流体发电机作为热循环系统的第一级，与普通的蒸汽电厂组合起来，采用磁流体－蒸汽联合电站方式发电．即用磁流体发电机中温度高达2000Ｋ的排放气体产生蒸汽，按普通火力发电的形式再次发电．这样，总的热效率可达到50%，理论值达60%．而目前火力电厂的热效率只有30～40％．图3所示是开式磁流体－蒸汽动力循环系统的示意图．
图3
2．环境污染问题
火力发电对环境的污染主要表现为热污染和大气污染．热污染指的是火力电站运行中排出大量的冷却水，造成局部水域温度升高，从而导致水中生物的死亡，破坏生态平衡．大气污染指排烟中含有大量二氧化硫、氧化氮和尘埃造成的空气污染．磁流体－蒸汽联合电站由于热效率高，由冷却水排出的热量比普通火力电站少30％～50％，因此减少了热污染．又因为在燃烧中加入了一些电离电位低的钾、铯等碱金属化合物，它与燃气中的硫经化学反应形成硫酸钾，在回收过程中被吸收，可起到脱硫作用，排气中能做到几乎没有二氧化硫．至于排气中的氧化氮，可以通过低氧燃烧控制到允许值以下．可以说，磁流体－蒸汽联合电站发电的环境污染远小于火力发电．
四、磁流体发电的应用前景
1959年，美国的阿夫柯1号磁流体发电机发出11．4ｋＷ的电力，点亮了228盏50Ｗ的灯泡，运行了10ｓ，世界上第一台能够发出实际有用电功率的磁流体发电机宣告研制成功．1966年，美国空军研制成功一台实际输出电功率18ＭＷ的磁流体发电机，每天大约运行3次，每次1ｍｉｎ．这是世界上第一台作实际应用的磁流体发电机．1977年美国建成300ＭＷ磁流体发电示范站．20世纪90年代，独联体建造了一个燃烧天然气的磁流体－蒸汽联合电站，总输出功率582ＭＷ．该电站采用超导磁体，磁感应强度为6Ｔ．
20世纪60年代我国就开始磁流体发电的开发研制工作．1964年，中科院电工所建成第一台小型模拟磁流体发电试验机组，燃烧汽油和纯氧，发电功率为80Ｗ，运行1ｍｉｎ．1978年南京工学院（现东南大学）研制成功我国第一台民用长时磁流体发电机组，电功率为12ｋＷ，累计运行1000ｈ．“七五”
期间，我国研制的磁流体发电机组的最高发电功率为2200ｋＷ．
由此可见，对磁流体发电的研究与探索已由实验阶段发展到在军事、民用的实际应用阶段，作为一种新的能源开发途径，世界各国越来越受到普遍关注．
五、磁流体发电的相关习题
以磁流体发电为背景知识，根据中学物理要求，可设计下列习题供教学使用：
图1是磁流体发电机原理的示意图．设平行金属板间距为ｄ，金属板长度为ａ，宽度为ｂ，其间有匀强磁场，磁感应强度为Ｂ，方向如图所示．导电流体的流速为ｖ，电阻率为ρ．负载电阻为Ｒ．导电流体从一侧沿垂直磁场且与极板平行的方向射入极板间．
1．求该发电机产生的电动势．
可用等效法分析求解：导电流体的运动可以等效为长度为ｄ内阻为ｒ的导体做切割磁感线运动，其中ｒ＝ρｄ／ａｂ．当外电路断开时，易得Ｅ＝ｖＢｄ．当外电路接通时，导电离子的运动可等效为“导体”内电荷的运动，它一方面是以v的速度做切割磁感线运动，另一方面是在垂直ｖ且沿着导体方向做定向移动．易得电动势不变，仍为ｖＢｄ．
2．求负载Ｒ上的电流Ｉ．
Ｉ＝Ｅ／（Ｒ＋ｒ）＝Ｂｄｖ／（Ｒ＋ρ（ｄ／ａｂ））＝Ｂｄｖａｂ／（Ｒａｂ＋ρｄ）．
3．证明磁流体发电机的总功率Ｐ与发电通道的体积成正比，与磁感应强度的平方成正比．
Ｐ＝ＥＩ＝Ｂｄｖ（Ｂｄｖａｂ／（Ｒａｂ＋ρｄ））＝（ｖ２ｄ／（Ｒａｂ＋ρｄ））Ｂ２Ｖ，
式中Ｖ＝ａｂｄ，即发电通道的体积．
4．为了使导电流体以恒定的速度ｖ通过磁场，发电通道两端需保持一定的压强差Δｐ．试计算Δｐ．
当导电流体受到的安培力与受到的压力差相等时，导电流体才能以恒定速度通过磁场．即有 Δｐ＝Ｆ／Ｓ＝ＢＩｄ／Ｓ＝Ｂ２ｄｖａ／（Ｒａｂ＋ρｄ）．
5．磁流体发电机直接产生的是交流电吗?
在磁流体发电机中，一般导电流体的流动方向与磁场方向一定，产生的感应电动势的方向也就一定，所以磁流体发电机产生的是直流电．实际中是通过直流－交流逆变换器，把直流电变成交流电，再并入电网．。