青少年喜欢的科技前研:新颖高效的磁流体发电技术

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什么是新颖高效的磁流体发电技术

青少年喜欢的科技前研:新颖高效的磁流体发电技术插图

火力发电何以造成能量使用效率低呢?最重要的原因是能量转换过程中环节太多,这就必然要消耗许多能量。如能革除这些由热能转换成机械能的中间环节,则至少可以使燃料能量的利用率提高到60%。这对能源使用的意义是何等巨大啊!而磁流体发电方式正是朝着这个方向努力的一种十分有效的尝试。

所谓“磁流体发电技术”,就是用燃料(石油、天然气、燃煤、核能等)直接加热成易于电离的气体,使之在2000℃的高温下电离成导电的离子流,然后让其在磁场中高速流动时,切割磁力线,产生感应电动势,即由热能直接转换成电能。由于不经过机械能转换环节,所以称之为“直接发电”,燃料利用率也就得到提高。这种技术也称为“等离子体发电技术”。

为什么叫“磁流体”呢?这要追溯到160年前,即1831年,美国的著名物理学家法拉第发现的电磁感应现象。人们就是根据这一现象,利用导电固体(金属)在磁场里高速运动产生的电动势,制成了发电机,这就是常规的发电方式。如果通过磁场的导体是气体或液体(叫导电流体),利用这种导电流体和磁场相互作用而发电,就叫做“磁流体发电”了。

经物理化学实验表明,要使普通气体导电,就需要大约7000℃以上的高温才能实现必要的导电率,这样的高温是一般燃烧方式难以达到的。但若在气体中播撒一定数量的“低电离电位物质”,如钾、钠、镜等,在2000℃-3000℃高温下,即可达到磁流体发电所需的导电率。

流体发电装置主要由燃烧室、发电通道和磁体组成。它所应用的导电流体,目前有液态金属和等离子体。“液态金属”是指用导电率比较高的,且在稍高于常温就易于变为液态的金属,如(97.7℃)、钾(63.6℃)等,这叫“液态金属磁流体发电”。但它们难以高速流动,因此,使用较少。利用高温气化的等离子体发电的,叫“等离子体发电”,是目前使用最多的一种方法。还有一种是利用核反应堆产生的热进行联合循环发电的,叫“核能磁流体发电”目前这种方法尚未进人成熟阶段,但很受重视。

磁流体发电并不是开辟新能源,而是一种新的能源转换方式。它的优点在于:一是热效率高;二是结构紧凑、体积小;三是单机容量大:四是发电启停动作快;五是节省资源且可用高硫煤发电;六是对环境污染较小;七是可以副产氮肥等。由于它发电启停快,很适于满足“尖峰负荷”和军事武器装备方面特殊电源使用。如船舶动力、航空、航天器上用电,特别是用于火箭发动机燃烧室和磁流体发电联合装置,则可获得千瓦级的功率。近年,超导技术飞速发展,有的国家又在研究“超导磁流体发电机”,因其输出功率几乎不受磁场强度的制约,足以提供强大的输出功率,可适于需要小型化、大容量电源系统的武器装备使用。美国海军己研制成功3千瓦超导磁流体发电机样机。

自从1959年美国阿英柯公司试验燃煤磁流体发电技术成功后,世界上磁流体发电的研究,以美、日、前苏联为代表,进展较快。目前已有17个国家在从事这项发电技术的研究开发工作。其中13个国家重点研究燃煤磁流机发电技术。大部分正进入工业性实验电站研究阶段。

日本早在1966年就把磁流体发电技术作为通产省的第1号国家项目,经连续进行10多年的开发研究后,终于在1981年由三菱机电公司完成了“马克-7”型实验装置,用钢铁系磁铁,形成了高达2.5千高斯的磁场,将煤油变为2900℃的燃气,以每秒1000米的高速流过发电通道,输出功率为100千瓦,连续运行了200小时,但真正达到实用化,需要6万高斯以上的强磁场,最低输出功率为数万千瓦,且要连续工作5000 ~6000小时。因此,还要进行长期努力才能实现。目前正在研究100万千瓦级燃煤磁流体发电站。前苏联 主要是研究以天然气为燃料的磁流体发电技术,已于1991年首先建成了世界上第一座50万千瓦级的Y-500型磁流体-蒸汽动力联合循环实验电站。1973年前苏联和美国开始联合研究磁流体发电技术,美国制造的磁流体发电通道和46吨重的6万高斯超导磁铁安装在前苏联的装置上进行试验。前苏联自己还计划在新建的梁赞州火电站中,建造一座100万千瓦级燃煤大型磁流体发电-蒸汽涡轮发电机组合电站。这种电站效率可达50%,节约燃料25%-30%,可连续工作1万小时以上。

美国 则以燃煤为燃料,正在建造一座30万千瓦级实验型磁流体发电装置。在1990年曾拨出4040万美元作为磁流体发电技术的科研费。美国防部在1992-1997年间研究军用型磁流体发电装置用于空间航行器上,功率10万千瓦,一次运行时间500秒。

中国 已把这项技术作为“863计划”重点项目,在1989年还与英国、前苏联两国科技界分别确定联合研究万千瓦级中试电站的技术概念。千千瓦级磁流体发电机组已完成试验任务,最高输出功率2200千瓦。燃煤磁流体发电通道电级试验装置,也已完成试验任务,到1990年已运行540小时,目标是建造一座万千瓦级燃煤磁流体-蒸汽联合循环中试电站。

专家们预测,目前磁流体发电在技术上已日趋成熟,随着超导技术的发展,可望将广泛应用在矿物燃料发电站中,这对整个能源发展,促进经济兴旺,必将产生重大影响。

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