磁流體發電機

磁流體發電機

磁流體發電機,又叫等離子發電機,是根據霍爾效應,用導電流體,例如空氣或液體,與磁場相對運動而發電的一種設備。

基本介紹

  • 中文名:磁流體發電機
  • 又名:等離子發電機
  • 原理霍爾效應
  • 缺點:發電效率低
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磁流體發電

磁流體發電技術是一種新型的高效發電方式,由於無需經過機械轉換環節,所以也稱之為直接發電,燃料利用效率顯著提高,用燃料(石油天然氣、燃核能)直接加熱成易於電離的氣體,使之在2000℃高溫下電離成導電的離子流,然後讓其在磁場中高速流動切割磁力線,產生感應電動勢即由熱能直接轉換成電能,這種技術也稱為電漿發電。
為了磁流體的離子化橫切穿過磁場時,按電磁感應定律,電漿的正負粒子在磁場作用下分離,而聚集在與磁力線平等的兩個面上,由於電荷的聚集從而產生電。 本技術難點在於需要鉀、等微量金屬的惰性氣體如氦、氬等作為工質,所以氣體大規模且可接受成本的氣體合成技術為一難關;另一方面,磁流體高溫陶瓷通道需長期在2000-3000K溫度工作,而電極在高溫惰性氣體下工作也容易腐蝕,因而材料加工術為另一大難關。

發電技術

燃煤磁流體發電技術--亦稱為電漿發電,就是磁流體發電的典型套用,燃燒煤而得到的2.6×106℃以上的高溫等離子氣體並以高速流過強磁場時,氣體中的電子受磁力作用,沿著與磁力線垂直的方向流向電極,發出直流電,經直流逆變為交流送入交流電網。
磁流體發電本身的效率僅20%左右,但由於其排煙溫度很高,從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續燃燒成蒸汽,驅動汽輪機發電,組成高效的聯合循環發電,總的熱效率可達50%~60%,是目前正在開發中的高效發電技術中最高的。同樣,它可有效地脫硫,有效地控制NOx的產生,也是一種低污染的煤氣化聯合循環發電技術。

發電流程

在磁流體發電技術中,高溫陶瓷不僅關係到在2000~3000K磁流體溫度能否正常工作,且涉及通道的壽命,亦即燃煤磁流體發電系統能否正常工作的關鍵,目前高溫陶瓷的耐受溫度最高已可達到3090K。
磁流體發電比一般的火力發電效率高得多,但在相當長一段時間內它的研製進展不快,其原因在於伴隨它的優點而產生了一大堆技術難題。磁流體發電機中,運行的是溫度在三、四千度的導電流體,它們是高溫下電離的氣體。為進行有效的電力生產,電離了的氣體導電性能還不夠,因此,還要在其中加入鉀、銫等金屬離子。但是,當這種含有金屬離子的氣流,高速通過強磁場中的發電通道,達到電極時,電極也隨之遭到腐蝕。電極的迅速腐蝕是磁流體發電機面臨的最大難題。另外,磁流體發電機需要一個強大的磁場,人們都認為,真正用於生產規模的發電機必須使用超導磁體來產生高強度的磁場,這當然也帶來技術和設備上的難題。最近幾年,科學家在導電流體的選用上有了新的進展,發明了用低熔點的金屬(如鈉、鉀等)作導電流體,在液態金屬中加進易揮發的流體(如甲苯、乙烷等)來推動液態金屬的流動,巧妙地避開了工程技術上一些難題,製造電極的材料和燃料的研製方面也有了新進展。但想一下子省錢省力地解決磁流體發電中技術、材料等方面的所有難題是不現實的。隨著新的導電流體的套用,技術難題逐步解決,磁流體發電的前景還是樂觀的。在美國,磁流體發電機的容量已超過32000千瓦;日本、德國、波蘭等許多國家都在研製碘流體發電機。我國也已研製出幾台不同形式的磁流體發電機。

磁流體發電的原理

基本原理

根據電磁感應原理,用導電流體(氣體或液體)與磁場相對運動而發電。
導電流體在通道中橫越磁場B流過時,由於電磁感應而在垂直於磁場和流速的方向上感生出一個電場E,如把導電流體與外負載相接,導電流體中的能量就可直接轉換成電能,向外輸出(圖1)。這樣能省去普通發電機組中某些能量轉換的中間過程,因此這種發電又稱磁流體直接發電,在這種發電裝置中主要部件是發電通道、電極和磁場。
圖1 磁流體發電裝置示意圖
裝置類型 按照電流由導電流體中引出的方式,發 電裝置可分為傳導式和感應式兩種。在傳導式發電器中,電流是通過發電通道兩側的電極引出的;在感應式發電器中,沒有電極,電流直接由磁場繞組輸出。按照輸出 電流的類別,發電裝置可分為交流和直流兩種。根據工作介質在裝置中是一次使用還是在系統中循環使用,發電裝置可分為開式和閉式兩種。根據發電通道幾何形狀的不同,發電裝置可分為直線型、渦旋型和徑向外流型等幾種。下面介紹兩種裝置:
①開式循環直線型磁流體發電裝置這種發電裝置中的工作介質是溫度2500~3500開的高溫電離氣體,即電漿。在連續電極的直線型發電裝置中(圖2a),如果平均電子碰撞頻率比電子在磁場中的迴旋頻率大得多,則當電漿橫越磁場時,就感生出一個同磁場和流速相垂直的電場,但當電漿密度較低,電子在磁場中的迴旋頻率相當於或甚至大於平均電子碰撞頻率時,電子在磁場中就沿曲線運動。這一現象稱為霍耳效應,由此產生的垂直於電場的電流稱為霍耳電流。電子迴旋頻率ω與平均電子碰撞頻率1/t之比ωt稱為霍耳係數,它表征霍耳效應的大小,在物理意義上相當於存在磁場時一個電子在兩次碰撞間轉過的弧度,也相當於沿電漿流動方向的霍耳電流與平行於電場方向的電流之比。在連續電極發電裝置中,由於出現霍耳電流(損耗電流),平行於電場的電流要降低為原值的。為了減小霍耳電流,通常採用分段電極(圖2b),也可直接利用霍耳電流來代替平行於電場的電流,從而成為霍耳發電裝置(圖2c)。近年來又在此基礎上發展出斜框式通道的發電裝置。使用開式循環磁流體發電裝置可減少環境污染,特別對含硫較高的礦物燃料,由於在燃燒室中“種子” 碳酸鉀幾乎完全離解,在發電裝置的通道下游,通過化學反應複合成硫酸鉀,從而顯著降低二氧化硫的排放量。

基本信息

磁流體發電,是將帶電的流體(離子氣體或液體)以極高的速度噴射到磁場中去,利用磁場對帶電的流體產生的作用,從而發出電來。
最簡單的開式磁流體發電機由燃燒室、發電通道和磁體組成。工作過程是在化石燃料燃燒後產生的高溫氣體中,加入易電離的鉀鹽或鈉鹽,使其部分電離後,經噴管加速產生高達攝氏3000度、速度達到1000米/秒的高溫高速導電氣體,最後產生電流。

原理

磁流體發電中的帶電流體,它們是通過加熱燃料、惰性氣體、鹼金屬蒸氣而得到的。在幾千攝氏度的高溫下,這些物質中的原子和電子的運動都很劇烈,有些電子甚至可以脫離原子核的束縛,發生電離,結果,這些物質變成自由電子、失去電子的離子以及原子核的混合物,這就是電漿,電漿整體不顯電性。將電漿以超音速的速度噴射到一個加有強磁場的管道裡面,電漿中帶有正、負電荷的高速粒子,在磁場中受到洛倫茲力的作用,分別向兩極板偏移,於是正負電荷累積在兩極板上並在兩極之間產生電壓,用導線將電壓接入電路中就可以使用了。
磁流體發電的另一個好處是產生的環境污染少。利用火力發電,燃燒燃料產生的廢氣里含有大量的二氧化硫,這是造成空氣污染的一個重要原因。利用磁流體發電,不僅使燃料在高溫下燃燒得更加充分,它使用的一些添加材料還可以和硫化合,生成硫酸鉀,並被回收利用,這就避免了直接把硫排放到空氣中,對環境造成污染。
利用磁流體發電,只要加快帶電流體的噴射速度,增加磁場強度,就能提高發電機的功率。人們使用高能量的燃料,再配上快速啟動裝置,就可以使發電機功率達到1000萬kW,這就滿足了一些需要大功率電力的場合。目前,中國,美國、印度、澳大利亞以及歐洲共同體等,都積極致力於這方面的研究。
磁流體發電機產生電動勢,輸出電功率的原理如上圖。
1959年,美國阿夫柯公司建造了第一台磁流體發電機,功率為115kW。此後各國均有研究製造,美蘇聯合研製的磁流體發電機U-25B在1978年8月進行了第四次試驗,氣體-電漿流量為2~4kg/s,溫度為2950K,磁場為5T,輸出功率1300kW,共運行了50小時。目前許多國家正在研製百萬千瓦的利用超導磁體的磁流體發電機。

缺點

現在磁流體發電機製造中的主要問題是霍爾效應,目前只有10%。通道和電極的材料都要求耐高溫、耐鹼腐蝕、耐化學燒蝕等,目前所用材料的壽命都比較短,因而磁流體發電機不能長時間運行。

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