发电技术新革命:磁流体发电技术
磁流体发电(magnetohydrodynamic power generation)是流动的导电流体与磁场相互作用而产生电能。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流,由于无需经过机械转换环节,所以称之为"直接发电",其燃料利用率得到显著提高,这种技术也称为"等离子体发电技术"。
在磁流体发电技术中,通常气体电离导电需要高达6000℃的温度,由于受到材料科学,工艺以及技术等因素的限制,还没有合适的材料可以商业化运营,现在普遍采用通过添加容易电离的物质,例如经常用的钾,钠,以及铯金属化合物等,降低电离所需温度来发电。
磁流体发电现阶段主要应用于火力发电,天然气发电等常规能源发电。传统将热能转换为机械能,再将机械能转化为电能,1吨煤可以发电3000千瓦时,而使用磁流体发电装置,理想状态下可发电4500千瓦时。
磁流体发电的温度控制:
由于受到耐高温材料的限制,商业化运营的磁流体发电装置大多采用添加百分之1的低电离物质降低发电温度,目前高温陶瓷已经可以承受2816℃的温度,加入低电离物质的磁流体可以在2300℃温度下发电,相信随着技术的发展,当克服高温材料这一难题后,磁流体联合发电装置的能源利用效率会得到进一步提高。
磁流体发电现状:
磁流体作为有效的发电方式,全球有17个国家在着手研究,其中美国,中国,俄罗斯,法国,波兰以及澳大利亚等13个国家一直在研究燃煤磁流体发电。
典型代表是美国MarkV磁流体发电装置,日本场强为5万高斯超导磁场的磁流体发电装置,以及前苏联的磁流体——蒸汽联合循环电站。国内从上世纪60年代先后在北京,南京,上海等地建立了磁流体发电试验基地,并将其列为“863”计划。
磁流体发电未来发展
由于气体电离温度要求较高,美国、俄罗斯、以色列也在研究以液态金属作为工质的闭式循环磁流体发电装置,并与太阳能研究实验结合,希望以后能作为空间动力装置。
磁流体发电的现状和展望:
随着核能研究的进一步发展,部分国家将聚变反应堆-磁流体发电装置作为未来电能研发的方向之一,不过技术难度相对来说更大,技术要求更高。
随着受控热核反应研究的进展,聚变反应雄-磁流体发电装置有可能成为21世纪中央电站的主要形式。
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要研究对象。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。有人提出用交替改变平均电流方向(其周期比不稳定发展的特征时间,即振幅增长e倍所需的时间更短)来控制电离不稳定性的方法。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。徂在大型工业装置中,等离子体与磁场的相互作用较强,不稳定性也可能出现。
设计通道起初大多采用一维流动模型,随着发电装置功率的变大,需要对通道进行细致的理论研究。超声速发电通道的理论和实验是当前重要研究的项目之一。制造能长时间有效工作的通道和电极材料是当前主要技术困难的所在,而制造能提供高场强的超导磁体是磁流体发电装置能否进入实用阶段的关键问题。