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磁流体发电PB15071496赵志军地空学院导师：秦敢时间：20160508摘要：等离子体霍尔效应发电性能困境公式推导改进其他用途引言：磁流体发电技术是当今的一个热门的新型发电技术，它有别于传统的火力发电，发电效率更高，污染更少，是比核能更安全的一种高能效技术，发展和使用它，可以延长不可再生资源的使用年限。而依然有许多人，还不太了解这些方面的知识，那么，磁流体发电技术的工作原理及其构件究竟是什么呢？本文主要探讨其原理，发展，构件等问题，以此来介绍磁流体发电机，并展开对它性能的研究讨论。鉴于大多数国家依然依赖火力发电，而火力发电会带来种种不利之处，环境的污染，资源的浪费，处于转型期的发电技术，再核能发电为完全成熟之际，寻找一种简单有效的发电技术，也迫在眉睫，至关重要。磁流体发电技术则在此应用而生，它的简单机理，较为高效的发电能力，对环境的低污染性，都将促使它成为火力发电到核能发电过渡期的一个不可或缺的链条。认识并改进完善发展它，对于现今来说，是一项有前途有价值的任务。现从其构件，由来，性能，困境，以及理论等几个方面展开详细介绍。使我们在整体上了解什么是磁流体发电技术，以及磁流体发电的机遇和尚需改进的地方。为我们进一步的创新做一步准备。鉴于发电通道是磁流体发电最为重要的组成部分，我们对此做出一个详细的介绍，了解一下为什么磁流体发电机的通道会设置成那样的现状构造，这主要与发电机所能产生的最大功率有关，一构件磁流体发电机中运行的是温度在三四千度下的导电气体流体，为加强导电性，还加入了钾，铯等金属离子，这些离子，被称为种子。其主要配件有1.磁轭2.永磁铁或电磁体3.气管4.气体喷嘴电极5.电极6.磁极7.磁极绝缘层8.通道电极绝缘层9.分段电极法拉第通道电极等组成，它是将热能直接转化为电能的一种发电方式，和普通发电相比，减少了转换为机械能的阶段，但是，同普通发电机一样，都是利用电磁感应获得电能。磁流体发电机利用高温导电流体高速通过磁场，在电磁感应作用下，把热能转化为电能。导电流体的高温可以从矿物燃料燃烧时的化学能或者核反应堆里的核能转化而来。在工作上，以霍尔元件为主要理论。在高温下，物质的电子脱离原子核，成为等离子体，当这些粒子垂直穿过磁场时，正负离子发生分离，分别聚集在两个相互平行的极板上，产生电场负离子放电，电子通过导线到正极，产生电流。霍尔效应在外界磁场的作用下，载流导体除了受到安培力之外，还会在电流外磁场垂直的方向上出现电荷分离而产生电势差或者电场，这种效应就是霍尔效应。等离子体等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。它广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，也被“超气态”，或者“电浆体”。等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。其温度分别用电子温度和离子温度表示，两者相等称为高温等离子体；不相等则称低温等离子体。低温等离子体广泛运用于多种领域，具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，磁场二由来1832年法拉第提出有关磁流体力学问题。他根据海水切割地球磁场产生电动势的想法，测量泰晤士河两岸间的电位差，希望测出流速，但因河水电阻大、地球磁场弱和测量技术差，未达到目的。1937年哈特曼根据法拉第的想法，对水银在磁场中的流动进行了定量实验，并成功地提出粘性不可压缩磁流体力学流动的理论计算方法。1940～1948年阿尔文提出带电单粒子在磁场中运动轨道的“引导中心”理论、磁冻结定理、磁流体动力学波和太阳黑子理论，1949年他在《宇宙动力学》一书中集中讨论了他的主要工作，推动了磁流体力学的发展。1950年伦德奎斯特首次探讨了利用磁场来保存等离子体的所谓磁约束问题，即磁流体静力学问题。1882年世界第一座较正规的发电厂建成，容量671.5kW，到1996年末全世界电力装机容量2.773TW，发电量达11601TWh；我国1882年在上海建成第一个12kW发电厂，到1998年装机容量277GW，发电量1167TWh。一个世纪以来，电力得到如此迅速的发展，是由于它在使用上的高效、清洁和方便，电不但给家庭带来光明、舒适，更是一个国家现代化、工业化的标志之一。当前的研究工作主要集中于燃烧矿物燃料的开式循环磁流体发电。苏联、美国、日本和中国等国都建立了一系列磁流体发电装置。它由天然气作燃料的开式循环磁流体发电装置和汽轮发电机联合组成。日本一座场强为5万高斯（即5特斯拉）超导磁场的磁流体发电装置已投入运转。我国于上世纪60年代初期开始研究磁流体发电，先后在北京、上海、南京等地建成了试验基地。根据我国煤炭资源丰富的特点，我国将重点研究燃煤磁流体发电，并将它作为“863”计划中能源领域的两个研究主题之一，争取在短时间内赶上世界先进水平。三性能优点(1)环保。与普通火力发电比较而言它污染更少。磁流体发电虽然也使用煤炭、石油等燃料，但由于它使用的是细煤粉，而且高温气体还掺杂着少量的钾、钠和铯的化合物等，容易和硫发生化学反应．生成硫化物．在发电后回收这些金属的同时也将硫回收了。所以这是一种低污染的煤气发电技术。(2)发电效率。能节约燃料1/4~1/5，具有重要的经济意义。磁流体发电的最大好处是可以大大提高发电效率。普通的火力发电．燃烧燃料释放的能量中．只有20％变成了电能。而用磁流体发电．可以将从磁流体发电管道里喷出来的废气，驱动另一台汽轮发电机．形成组合发电装置．这种组合发电的效率可以达到50％。(3)直流系统。磁流体发电产生的是直流电。送电容量和稳定性是扩大交流系统的巨大障碍直流系统可以稳定地输送大功率的电力。而且．随着半导体技术的发展．高电压大电流的晶体管也能制造出来。所以高电压直流输电可以很容易地实现此外，还有单机容量大，可达千万千瓦1台；起动快，可在几秒钟内达到满负载；比功率很大，发电机体积和重量相对比较小等等。由于磁流体发电（联合）具有很多优点，这便吸引着广大科技，工程技术人员积极从事这一项目的研究。不足等离子体横越磁场流动的稳定性问题是磁流体发电装置研究的主要问题之一。在低气压闭式循环磁流体发电装置中，由于工质处于非平衡状态，出现的不稳定性较多。除了在等离子体中经常出现的由于局部温度提高而引起电流集中、温度反复上升和电子急剧加速的过热不稳定性和离子声波不稳定性以外，电离不稳定性成为重点研究对象。电离不稳定性出现后，荷电粒子的密度、电流和电场都随空间和时间而迅速变化，从而降低有效电导率，使发电装置的性能明显恶化。在开式循环磁流体发电装置中，等离子体是处于局部热力学平衡的，不产生电离不稳定性，其他不稳定性也不明显。但在大型工业装置中，等离子体与磁场的相互作用较强，不稳定性也可能出现。改进1磁流体发电本身的效率仅2O%左右，但由于其排烟温度很高，从磁流体排出的气体可送往一般锅炉继续燃烧成蒸汽，驱动汽轮机发电，组成高效的联合循环发电，总的热效率可达5O%～6O%，同样，它可有效地脱硫，有效地控制NO2的产生，也是一种低污染的煤气化联合循环发电技术。2无种子磁流体发电机：取消了种子的添加和回收问题同时解决了通道电极因腐蚀造成的不便。3采用等离子体焚烧炉来产生等离子体，燃料可以使用医院产生的废旧医疗设备，高温也能杀死一切细菌病毒，一举两得。四困境磁流体发电应用于大规模，长时间的发电，目前尚有许多技术困难。(1)效率与寿命问题。要使磁流体——蒸汽联合发电。站的效率达50%，便要求通道的热电转换效率达20%，而目前试验机组最高仅达15%(未除去本身励磁功率)，随着运行时间的延长，通道电极和管壁材料的腐蚀、氧化，性能恶化，效率将逐渐降低，而在目前的科技条件下，尚找不到一种电导率很高而温度要求较低的燃气。(2)“种子”回收用钯盐作种子比用钾盐种子效率提高1倍，若能提高种子回收再生效率，并达99．99%以上，那么，使用钯盐种子也是有经济效益的，可是目前种子回收效率仅达20%(3)电极在高温进行参数下能长时间使用的电极，也是目前磁流体发电急待解决的关键技术问题之一。多年来，世界各国投入相当多的力量从事理论研究和试验，从最早的石墨电极，一直到高温陶瓷电极售水冷金属电极，以至气体电极、电弧电极等等均未能取得满意的电极型式。(4)超导磁体在100百万千瓦磁流体——蒸汽联合电站典型设计的超导磁体，绕组总长度19米，入口平均直径3．45米，出口平均直径5．95米，如此巨大的超导线圈，在绕制和性能稳定上将会出现很多新的技术问题，低温设备和技术也不是轻而易举的。(5)燃料、燃气、燃油比燃煤的技术问题要少得多，如燃煤排渣问题，由于发电通道霍耳电压的作用，使大型装置+灼燃烧室带有12万伏的电压，除了燃烧室需对地绝缘外，排渣过程也需要绝缘，而高温煤渣本身具有导电性，这就给排渣过程带来困难。五理论发电通道是磁流体发电机的核心部分。它的性能的好坏在很大程度上决定了磁流体发电机能否付实用，通道的主要要求是在具有一定的热电转效率（要求20%以上）的基础上，保证可靠的长时间运行（要求3000小时以上）。（1）式中为电流密度，为标准电导率，为电场强度，为等离子体的速度，为磁感应强度，为霍耳系数，设采用图11-3中的坐标系，并设磁感应强度与Z轴正方向相反，速度与X轴同向，即可知感应电动势在Y轴正方向上，在极连上负载R，回路便产生电流，并在电极间建立电场它的大小决定于感应电动势及负载电阻和导电气流的内阻，根据有电流密度在垂直于磁场的方向通过。则产生垂直于及所在平面的电场，从而使得在垂直于磁场的平面内式(1)-右边第二项（）便表示霍耳电流，由于感生电流不可磁场同向，即故由式(1)可得纵向电流密度和横向电流密度为(2)(3)解得：（4）（5）由上式可现，由于霍耳效应起磁场中电流并不沿外加电场的相同方向上流动，其结果表现为电场方向的有效电导率将降低到，这是一个很大的影响。（1）连续电极型连续电极型的磁流体发电机（如图11-4）是采用从通道的入口出口到整块连续电极，将霍耳电场短路（即），则电流密度为（6）(7)设K为负载系数(8)即单位体积输出功率与流体克服电磁阻力所做总功率之比。这也就是通道的电效率。电流密度可改写成这里横向电流密度是产生负载电流的，而纵向电流密度是霍耳效应产生的，称霍耳电流，它的流动在等离子体内起能量消散，使电极性能恶化。发电机的功率密度为因为图11-5表示比功率输出与负载系数（K）的关系具有抛物线特性，在K=0.5时，功率输出达最大值；当霍耳系数增大时，功率输出下降很大，只有当时，才有实际使用价值。（2）分段电极型为了消除电极型发电机中的纵向霍耳电流，便提出分段电极型的磁流体发电机，即在纵向把电极分成许多小段，中间用绝缘物质相互间隔起来便能限制霍耳电流。如图11-6所示在理想绝缘情况下，特点是：由于（2）和（3）可得与负载系数的关系是由于霍耳效应的影响，使得电子向通道入口处移动，正离子向通道出口处移动，但因电极在纵向上分成许多小段，在彼此绝缘良好的条件下，无法经外电路组成回路不断流通。这样，通道出入处的电子`离子越积越多，形成纵向电场阻止电子进一步移动时，即达到平衡时，纵向霍耳电流为0，而形成纵向霍耳电场E，其方向与X抽的正方向相反。各电极之间的绝缘比经受得住这个电场。分段电极型发电机功率如图11—11所示，设斜框平面的法线与x轴的夹角为，斜框AB是导电壁组成，是一个等位面，在采用上述磁场方向的条件下，根据合电场与等位面垂直，必须斜框法线方向，故纵向电场和横向电场具有以下的关系。，称为斜框角函数，显然当时，即，相当于连续电极型发电机，通过严格推证，当时，则不管霍耳系数为何值，只要转动斜框的角度，使，斜框型发电机的功率密度便达到分段电极型发电机的水平，且在负载系数时，能得到最高功率密度值，并实现单负载，斜框型磁流体发电机是目前发展的重点。六拓展设计合适的磁场通道，把电解质溶液经泵的加压后，使其高速通过磁场通道，溶液中的正负离子相互分离，并可产生无离