磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)原理

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磁流體發(fā)電中的帶電流體，它們是通過加熱燃料、惰性氣體、堿金屬蒸氣而得到的。在幾千攝氏度的高溫下，這些物質(zhì)中的原子和電子的運(yùn)動(dòng)都很劇烈，有些電子甚至可以脫離原子核的束縛，發(fā)生電離，結(jié)果，這些物質(zhì)變成自由電子、失去電子的離子以及原子核的混合物，這就是等離子體，等離子體整體不顯電性。將等離子體以超音速的速度噴射到一個(gè)加有強(qiáng)磁場(chǎng)的管道里面，等離子體中帶有正、負(fù)電荷的高速粒子，在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力的作用，分別向兩極板偏移，于是正負(fù)電荷累積在兩極板上并在兩極之間產(chǎn)生電壓，用導(dǎo)線將電壓接入電路中就可以使用了。

磁流體發(fā)電的另一個(gè)好處是產(chǎn)生的環(huán)境污染少。利用火力發(fā)電，燃燒燃料產(chǎn)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(gè)重要原因。利用磁流體發(fā)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，并被回收利用，這就避免了直接把硫排放到空氣中，對(duì)環(huán)境造成污染。

利用磁流體發(fā)電，只要加快帶電流體的噴射速度，增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，就能提高發(fā)電機(jī)的功率。人們使用高能量的燃料，再配上快速啟動(dòng)裝置，就可以使發(fā)電機(jī)功率達(dá)到1000萬kW，這就滿足了一些需要大功率電力的場(chǎng)合。中國，美國、印度、澳大利亞以及歐洲共同體等，都積極致力于這方面的研究。

磁流體發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，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臺(tái)磁流體發(fā)電機(jī)，功率為115kW。此后各國均有研究制造，美蘇聯(lián)合研制的磁流體發(fā)電機(jī)U－25B在1978年8月進(jìn)行了第四次試驗(yàn)，氣體-等離子體流量為2～4kg/s，溫度為2950K，磁場(chǎng)為5T，輸出功率1300kW，共運(yùn)行了50小時(shí)。許多國家正在研制百萬千瓦的利用超導(dǎo)磁體的磁流體發(fā)電機(jī)。

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磁流體發(fā)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(chǎng)中去，利用磁場(chǎng)對(duì)帶電的流體產(chǎn)生的作用，從而發(fā)出電來。

最簡(jiǎn)單的開式磁流體發(fā)電機(jī)由燃燒室、發(fā)電通道和磁體組成。工作過程是在化石燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫氣體中，加入易電離的鉀鹽或鈉鹽，使其部分電離后，經(jīng)噴管加速產(chǎn)生高達(dá)攝氏3000度、速度達(dá)到1000米/秒的高溫高速導(dǎo)電氣體，最后產(chǎn)生電流。

磁流體發(fā)電機(jī)，又叫等離子發(fā)電機(jī)，是根據(jù)霍爾效應(yīng)，用導(dǎo)電流體，例如空氣或液體，與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)電的一種設(shè)備。

磁流體發(fā)電（magnetohydrodynamic power generation）過流動(dòng)的導(dǎo)電流體與磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電能。磁流體發(fā)電技術(shù)就是用燃料（石油、天然氣、燃煤、核能等）直接加熱成易于電離的氣體，使之在2000℃的高溫下電離成導(dǎo)電的離子流，然后讓其在磁場(chǎng)中高速流動(dòng)時(shí)，切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即由熱能直接轉(zhuǎn)換成電流，由于無需經(jīng)過機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以稱之為"直接發(fā)電"，其燃料利用率得到顯著提高，這種技術(shù)也稱為"等離子體發(fā)電技術(shù)"。

磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)定義

磁流體發(fā)電是一種新型的高效發(fā)電方式，其定義為當(dāng)帶有

等離子狀態(tài)，是指物質(zhì)原子內(nèi)的電子在高溫下脫離原子核的吸引，使物質(zhì)呈為正負(fù)帶電粒子狀態(tài)存在。

磁流體的等離子體橫切穿過磁場(chǎng)時(shí)，按電磁感應(yīng)定律，等離子體的正負(fù)粒子在磁場(chǎng)的作用下分離，而聚集在與磁力線平等的兩個(gè)面上，由于電荷的聚集，從而產(chǎn)生電勢(shì)。在磁流體流經(jīng)的通道上安裝電極和外部負(fù)荷連接時(shí)，則可發(fā)電。

為使高溫氣體有足夠的電導(dǎo)率，需在高溫和高速下，加入總量1%左右的易電離物質(zhì)——“種子”，一般為碳酸鉀，以利用非平衡電離原理來提高電離度。用裂變反應(yīng)堆作熱源時(shí)，工作介質(zhì)大多是惰性氣體（例如氦），并以銫作為種子物質(zhì)。由于受到反應(yīng)堆固體元件材料的限制，工作介質(zhì)的溫度遠(yuǎn)不能使其達(dá)到電離狀態(tài)。為了提高電導(dǎo)率，通常采取非平衡電離效應(yīng)（例如用高頻電場(chǎng)促使電離，這時(shí)電子的溫度高于離子和中性粒子的溫度）。此外，工作介質(zhì)也可為液態(tài)金屬和氣體或液態(tài)金屬和其蒸氣的混合物。

磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電技術(shù)

燃煤磁流體發(fā)電技術(shù)--亦稱為等離子體發(fā)電，就是磁流體發(fā)電的典型應(yīng)用，燃燒煤而得到的2.6×106℃以上的高溫等離子氣體并以高速流過強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，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(fā)出直流電，經(jīng)直流逆變?yōu)榻涣魉腿虢涣麟娋W(wǎng)。

磁流體發(fā)電本身的效率僅20%左右，但由于其排煙溫度很高，從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續(xù)燃燒成蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，組成高效的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，總的熱效率可達(dá)50%～60%，是正在開發(fā)中的高效發(fā)電技術(shù)中最高的。同樣，它可有效地脫硫，有效地控制NOx的產(chǎn)生，也是一種低污染的煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。

磁流體動(dòng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電流程

在磁流體發(fā)電技術(shù)中，高溫陶瓷不僅關(guān)系到在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(fā)電系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵，高溫陶瓷的耐受溫度最高已可達(dá)到3090K。

磁流體發(fā)電比一般的火力發(fā)電效率高得多，但在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)它的研制進(jìn)展不快，其原因在于伴隨它的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生了一大堆技術(shù)難題。磁流體發(fā)電機(jī)中，運(yùn)行的是溫度在三、四千度的導(dǎo)電流體，它們是高溫下電離的氣體。為進(jìn)行有效的電力生產(chǎn)，電離了的氣體導(dǎo)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(dāng)這種含有金屬離子的氣流，高速通過強(qiáng)磁場(chǎng)中的發(fā)電通道，達(dá)到電極時(shí)，電極也隨之遭到腐蝕。電極的迅速腐蝕是磁流體發(fā)電機(jī)面臨的最大難題。另外，磁流體發(fā)電機(jī)需要一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，人們都認(rèn)為，真正用于生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)電機(jī)必須使用超導(dǎo)磁體來產(chǎn)生高強(qiáng)度的磁場(chǎng)，這當(dāng)然也帶來技術(shù)和設(shè)備上的難題。最近幾年，科學(xué)家在導(dǎo)電流體的選用上有了新的進(jìn)展，發(fā)明了用低熔點(diǎn)的金屬（如鈉、鉀等）作導(dǎo)電流體，在液態(tài)金屬中加進(jìn)易揮發(fā)的流體（如甲苯、乙烷等）來推動(dòng)液態(tài)金屬的流動(dòng)，巧妙地避開了工程技術(shù)上一些難題，制造電極的材料和燃料的研制方面也有了新進(jìn)展。但想一下子省錢省力地解決磁流體發(fā)電中技術(shù)、材料等方面的所有難題是不現(xiàn)實(shí)的。隨著新的導(dǎo)電流體的應(yīng)用，技術(shù)難題逐步解決，磁流體發(fā)電的前景還是樂觀的。在美國，磁流體發(fā)電機(jī)的容量已超過32000千瓦；日本、德國、波蘭等許多國家都在研制碘流體發(fā)電機(jī)。我國也已研制出幾臺(tái)不同形式的磁流體發(fā)電機(jī)。

發(fā)電機(jī)分為直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)兩大類。后者又可分為同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)兩種?，F(xiàn)代發(fā)電站中最常用的是同步發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是由直流電流勵(lì)磁,既能提供有功功率，也能提供無功功率,可滿足各種負(fù)載的需要。異步發(fā)電機(jī)由于沒有獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，但是不能向負(fù)載提供無功功率，而且還需要從所接電網(wǎng)中汲取滯后的磁化電流。因此異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)必須與其他同步電機(jī)并聯(lián)，或者并接相當(dāng)數(shù)量的電容器。這限制了異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍，只能較多地應(yīng)用于小型自動(dòng)化水電站。城市電車、電解、電化學(xué)等行業(yè)所用的直流電源，在20世紀(jì)50年代以前多采用直流發(fā)電機(jī)。但是直流發(fā)電機(jī)有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造費(fèi)時(shí)，價(jià)格較貴，且易出故障，維護(hù)困難，效率也不如交流發(fā)電機(jī)。故大功率可控整流器問世以來，有利用交流電源經(jīng)半導(dǎo)體整流獲得直流電以取代直流發(fā)電機(jī)的趨勢(shì)。

同步發(fā)電機(jī)按所用原動(dòng)機(jī)的不同分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)3種。它們結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn)是除了小型電機(jī)有用永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)以外，一般的磁場(chǎng)都是由通直流電的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生，而且勵(lì)磁線圈放在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組放在定子上。因?yàn)閯?lì)磁線圈的電壓較低，功率較小，又只有兩個(gè)出線頭，容易通過滑環(huán)引出；而電樞繞組電壓較高,功率又大，多用三相繞組,有3個(gè)或4個(gè)引出頭，放在定子上比較方便。發(fā)電機(jī)的電樞(定子)鐵心用硅鋼片疊成，以減少鐵耗。轉(zhuǎn)子鐵心由于通過的磁通不變，可以用整體的鋼塊制成。在大型電機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子承受著強(qiáng)大的離心力，制造轉(zhuǎn)子的材料必須選用優(yōu)質(zhì)鋼材 。

半導(dǎo)體磁流體動(dòng)力學(xué)模型是一類出現(xiàn)在半導(dǎo)體器件科學(xué)中的宏觀流體動(dòng)力學(xué)方程組，它是在自相容電磁場(chǎng)的影響下描述電子和離子的，刻畫了高頻率條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體器件其內(nèi)部電了的輸運(yùn)過程。模型方程組是由電子的質(zhì)量和速度的守恒律方程禍合電磁場(chǎng)的Maxwell方程構(gòu)成的。

目前對(duì)半導(dǎo)體磁流體動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)有非常多的研究。就半導(dǎo)體磁流體動(dòng)力學(xué)模型方程組的類型而言，它是一類可對(duì)稱化的擬線性雙曲型方程組。一般來說，哪怕是在光滑的小初始條件下，擬線性雙曲型方程組的經(jīng)典解仍會(huì)在有限時(shí)問內(nèi)破裂而產(chǎn)生激波。

磁流體動(dòng)力學(xué)主要應(yīng)用于三個(gè)方面：天體物理、受控?zé)岷朔磻?yīng)和工業(yè)。

磁流體動(dòng)力學(xué)磁流體動(dòng)力學(xué)天體物理

宇宙中恒星和星際氣體都是等離子體，而且有磁場(chǎng)，故磁流體力學(xué)首先在天體物理、太陽物理和地球物理中得到發(fā)展和應(yīng)用。當(dāng)前，關(guān)于太陽的研究課題有：太陽磁場(chǎng)的性質(zhì)和起源，磁場(chǎng)對(duì)日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有：星際空間無作用力場(chǎng)存在的可能性，太陽風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的弓形激波，新星、超新星的爆發(fā)，地球磁場(chǎng)的起源，等等。

磁流體動(dòng)力學(xué)磁流體動(dòng)力學(xué)受控?zé)岷朔磻?yīng)方面

受控?zé)岷朔綉?yīng)方面 這方面的應(yīng)用有可能使人類從海水中的氘獲取巨大能源。受控?zé)岷朔磻?yīng)的目的就是把輕元素組成的氣體加熱到足夠發(fā)生核聚變的高溫，并約束它足夠的時(shí)間，以使核反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于所消耗的能量。對(duì)氘、氚混合氣來說，要求溫度達(dá)到5000萬到1億開并要求粒子密度和約束時(shí)間的乘積不小于10秒/厘米（勞孫條件）。托卡馬克（環(huán)形磁約束裝置）在受控?zé)岷朔磻?yīng)研究中顯出優(yōu)越性。美、蘇和一些西歐國家各自在托卡馬克的研究上取得進(jìn)展，但只得到單項(xiàng)指標(biāo)滿足勞孫條件的等離子體，沒有得到溫度、密度和約束時(shí)間都滿足勞孫條件的等離子體。磁鏡、托卡馬克和其他磁約束裝置的運(yùn)行范圍都受穩(wěn)定性的限制，即電流或粒子密度越大，穩(wěn)定性越差，所以必須開展對(duì)等離子體中的平衡和大尺度不穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的磁流體力學(xué)研究，以期得到穩(wěn)定的并充分利用磁場(chǎng)的托卡馬克磁約束裝置。

磁流體動(dòng)力學(xué)磁流體動(dòng)力學(xué)工業(yè)方面

磁流體力學(xué)除了與開發(fā)和利用核聚變能有關(guān)外，還與磁流體發(fā)電密切聯(lián)系。磁流體發(fā)電的原理是用等離子體取代發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，省去轉(zhuǎn)動(dòng)部件，這樣可以把普通火力發(fā)電站或核電站的效率提高15?20%，甚至更高，既可節(jié)省能源，又能減輕污染。為了提高磁流體發(fā)電裝罝的熱效率，必須運(yùn)用磁流體力學(xué)來分析發(fā)電通道中的流動(dòng)規(guī)律，傳熱、傳質(zhì)規(guī)律和電特性。研究利用煤粉作燃料的磁流體發(fā)電對(duì)產(chǎn)煤豐富的國家有重要意義，這種研究目前正向工業(yè)發(fā)電階段發(fā)展。蘇聯(lián)已實(shí)現(xiàn)天然氣磁流體發(fā)電。

用導(dǎo)電流體取代電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)備，即用磁力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)電流體的裝置有電磁泵和磁流體力學(xué)空間推進(jìn)器（見電磁推進(jìn)）。電磁泵已用于核能動(dòng)力裝置中傳熱回路內(nèi)液態(tài)金屬的傳輸，冶金和鑄造工業(yè)中熔融金屬的自動(dòng)定量澆注和攪拌，化學(xué)工業(yè)中汞、鉀、鈉等有害和危險(xiǎn)流體的輸送等方面。電磁推進(jìn)研究用磁場(chǎng)力加速等離子體以期得到比化學(xué)火箭大得多的比沖。

飛行器再入大氣層時(shí)，激波、空氣對(duì)飛行器的摩擦，使飛行器的表面空氣受熱而電離成為等離子體，因此利用磁場(chǎng)可以控制對(duì)飛行器的傳熱和阻力。但由于磁場(chǎng)裝置過重，這種設(shè)想尚未能實(shí)現(xiàn)。2100433B

磁流體發(fā)電機(jī)制造中的主要問題是霍爾效應(yīng)，只有10%。通道和電極的材料都要求耐高溫、耐堿腐蝕、耐化學(xué)燒蝕等，所用材料的壽命都比較短，因而磁流體發(fā)電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行 。