磁流體發(fā)電是通過流動的導(dǎo)電流體與磁場相互作用而產(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,然后讓其在磁場中高速流動時,切割磁力線,產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,即由熱能直接轉(zhuǎn)換成電流,由于無需經(jīng)過機械轉(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)"。
圖示:磁流體發(fā)電原理示意圖
磁流體發(fā)電是將熱能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N發(fā)電方式,與普通發(fā)電相比,減少了轉(zhuǎn)換成機械能這一階段,但其工作原理與普通發(fā)電是基本相同的,都是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象獲得電能。
100多年前法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象:導(dǎo)體在磁場中做橫向切割磁力線的運動時,沿著導(dǎo)體并與磁場相垂直的方向會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。只要存在自由電子的物質(zhì),不論以哪種形態(tài),只要在磁場中運動時存在電磁感應(yīng)現(xiàn)象的都是我們所說的導(dǎo)體。目前所用的各種發(fā)電機都是利用導(dǎo)電的金屬固體在磁場中高速運動而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的,磁流體發(fā)電則是利用高溫導(dǎo)電流體高速通過磁場,在電磁感應(yīng)的作用下,將熱能轉(zhuǎn)換成電能。磁流體發(fā)電中所用的導(dǎo)電流體可以是導(dǎo)電的氣體,也可以是液態(tài)金屬。導(dǎo)電流體的高溫可以從礦物性燃料燃燒時的化學(xué)能或核燃料在核反應(yīng)堆中的核能轉(zhuǎn)換而來。
01效率高
磁流體發(fā)電機本身的熱效率不很高,只能達到20~30%左右,但是因為其排氣溫度很高,達2000K左右,其所含的熱量還可以充分利用。如果組成磁流體-蒸汽聯(lián)合循環(huán),就可使一次燃燒所產(chǎn)生的熱量被兩次利用。通常認為聯(lián)合循環(huán)的總效率可達50%。
02沒有轉(zhuǎn)動部分
磁流體發(fā)電機沒有高速旋轉(zhuǎn)部件,它本身是一個結(jié)構(gòu)簡單的靜止機械。由于供高溫導(dǎo)電氣體流過的發(fā)電通道是靜止的,完全可以采用冷卻結(jié)構(gòu),使部件的工作溫度比氣體低很多。從而發(fā)電通道仍可用現(xiàn)有的材料制造。
03機組容量越大越好
磁流體發(fā)電過程是導(dǎo)電流體高速流過磁場時與磁場相互作用的過程。因此產(chǎn)生的電功率與流體的體積有關(guān)。另外磁流體發(fā)電機的熱損主要取決于發(fā)電通道的壁面積。當體積與表面積之比值增加使,即磁流體發(fā)電機組的容量增大時性能得到改善。
04起動快
由于磁流體發(fā)電是將熱能直接轉(zhuǎn)化成電能,所以起動很快。理論上講,起動時間基本上是由導(dǎo)電流體在所要求的速度下充滿發(fā)電通道所需的時間。實際起動時間還受到熱源、材料和控制系統(tǒng)等的限制。目前磁流體發(fā)電機一般在幾秒內(nèi)達到額定負荷,這是其它發(fā)電方式無法比擬的。
05環(huán)境污染少
磁流體-蒸汽聯(lián)合循環(huán)時基本上不存在水的熱污染問題。在磁流體發(fā)電中為了提高氣體的導(dǎo)電性能,通常在氣體中加入一些電離電位較低的鉀、銫等堿金屬化合物作為種子。它們極易與氣體中的硫結(jié)合生成硫化物。為提高運行的經(jīng)濟性,必須對種子進行回收。因此回收種子的過程也具有自動脫硫的作用。所以磁流體發(fā)電中即使使用含硫高的燃料其尾氣中也幾乎沒有氧化硫。另一方面,由于磁流體發(fā)電機中燃燒溫度比普通發(fā)電方式高很多,生成的氮氧化合物也多。這時必須對尾氣加以控制。
06結(jié)構(gòu)簡單,發(fā)電成本低
磁流體發(fā)電機的主要組成部件是靜止的,因而結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,相應(yīng)的發(fā)電成本也比較低廉。
07涉及科學(xué)技術(shù)面很廣
磁流體發(fā)電的原理是高溫高速的導(dǎo)電流體與強磁場的相互作用,因此它除以電磁流體力學(xué)為基礎(chǔ)外還涉及很多學(xué)科,如等離子體物理、燃燒理論、超導(dǎo)技術(shù)、低溫物理、熱物理、電工學(xué)等,這給磁流體發(fā)電的發(fā)展帶來了一定的不利,但對其他學(xué)科也起到了促進作用。
我國于本世紀60年代初期開始研究磁流體發(fā)電,先后在北京、上海、南京等地建成了試驗基地。根據(jù)我國煤炭資源豐富的特點,我國將重點研究燃煤磁流體發(fā)電,爭取在短時間內(nèi)趕上世界先進水平。作為一種高技術(shù),磁流體發(fā)電推動著工程電磁流體力學(xué)這門新興學(xué)科和高溫燃燒、氧化劑預(yù)熱、高溫材料、超導(dǎo)磁體、大功率變流技術(shù)、高溫診斷和降低工業(yè)動力裝置有害排放物的先進方法等一系列新技術(shù)的發(fā)展。這些科學(xué)成果和技術(shù)成就可以得到其他方面的應(yīng)用,并有著美好的發(fā)展前景。
綜上所述,從高效率、低污染、高技術(shù)的考慮,使得磁流體發(fā)電從其原理性實驗成功開始,就迅速得到了全世界的重視,許多國家都給予了持續(xù)穩(wěn)定的支持。