磁流體發電(磁流體發電機)

1831年,法拉第還根據電磁感應原理提出過磁流體發電機的設想,但由于當時工業技術水平的限制,他不可能制造出這種發電機。磁流體發電機的原理是把燃料和氧化劑混合后在燃燒室內燃燒,產生3000K高溫的燃氣流,以每妙800米的速度進入垂直置于磁場中的通道,這種燃氣流因高溫而電離成能導電的等離子氣流,在通道中切割磁場,因此在垂直于磁場和氣流的方向上產生感應電動勢,這時只要用電極與外面的負荷(比如電燈)相連,就能構成回路,從而將熱能直接轉變成電能，而不必像一般電機那樣,由熱能驅動渦輪轉動(變成機械能),再由渦輪帶動電樞發電(由機械能變成電能),由于熱能直接轉變成電能,不經過機械能轉換環節,稱之為“直接發電”，因此燃料的發電效率可提高到50%以上。

但是,由于技術上的原因,比如燃燒室的材料耐高溫性能達不到要求,這一理想一直沒有實現。直到1959年,隨著材料科學的進步和技術的發展,才由美國首先制成了世界上第一臺磁流體發電機:阿夫柯一號,發出了114千瓦的電力。阿夫柯一號是用煤作燃料的磁流體發電機。此后,1971年,蘇聯、日本和中國也分別制成了功率不等的磁流體發電機。現在世界上至少有17個國家在從事磁流體發電的研究,其中有13個國家重點研究燃煤磁流體發電技術。

磁流體發電裝置主要由燃燒室、發電通道和磁體組成。它應用的導電流體,可以是液體金屬,也可以是等離子體。液體金屬通常用導電率比較高、熔點稍高于常溫的金屬,如鈉(熔點97.7℃)、鉀(熔點63.2℃)等,但液體金屬難以高速流動,因此只有個別國家使用。目前使用最多的是用燃料(包括石油、天然氣、煤炭、核能等)直接加熱到2000℃以上成為易于電離的等離子流。

日本在1981年研制出一種稱為“馬克-7”型的磁流體發電實驗裝置,用銅鐵合金制作磁鐵,形成高達2.5高斯的磁場,將煤油變成2900℃的燃氣,以每秒1000米高的速度流經發電通道,輸出功率為100千瓦,連續運行了200小時。

我國也將磁流體發電技術列為“863計劃”的重點項目,并于1989年完成了千千瓦級的磁流體發電機的試驗工作。同時計劃到2000年建造一座萬千瓦級的燃煤磁流體-蒸汽聯合循環中試電站。

不過,目前的磁流體發電機所用的燃料質量要求比較高。因此它的使用有時受到限制。以色列本古里安大學的科學家赫爾曼·布蘭諾弗博士為了尋找一種合適各種能源(如石油、天然氣、流化床燃燒器、核反應堆、太陽能塔、地熱等)的磁流體發電機,從80年代開始探索,于1987年終于設計出一種不用渦輪和電樞的新型磁流體發電機,并于當年在以色列索多姆附近的死海化學工廠試制。但這種磁流體發電機中的“流體不再是過去的高溫等離子氣體,而是液態金屬。它的原理是把一種能導電的鈉或鉀加熱到變成液態,然后讓液體金屬在磁場內循環運轉,從而在液體金屬中產生感應電動勢再通過兩個電極把電流從發電機中引出來,輸送到需要的地方。

液體金屬的循環是依靠向裝有液體金屬的導管底部注入加熱的氣體,把其中的金屬加熱,同時氣體在液體金屬中形成氣泡,使金屬密度降低,于是上層金屬下沉,再利用下沉的金屬迫使含氣金屬上升。在導管頂端有一個稱為重力分離器的罐子,氣體在罐內同金屬分開,然后金屬又下沉,又開始新的循環,使金屬不斷在磁場內運動,切割磁場產生感應電動勢。

這種液體金屬磁流體發電機有許多優點:它適合各種能源(燒石油天然氣都可以,也能用流化床燃燒器燒煤和太陽能塔熔化液體金屬)，發電效率高、因活動部件少沒有摩擦,所以能量損失也少,維修和管理也方便得多。其管理費用比常規發電機低得多(約三分之一)。

當然,液體金屬磁流體發電機也不是盡善盡美,液體金屬本身有很強的腐蝕作用,容易引起危險。另外，這種發電機發出的電壓低,電流大,需要用一個特殊變壓器把所發的電力轉變成有用的電能。

磁流體發電是一種直接將熱能轉換成電能的嶄新的能量轉換方式。它除了發電機沒有活動的零部件。結構簡單,沒有渦輪機軸和其他機械零件的摩擦,熱損失少,效率高等其他能量轉換方式所沒有的優點外,還有結構緊湊、體積小;啟動停止動作快;對環境污染小;單機容量大等優點。

由于它發電啟動快,很適于用作軍事武器裝備和快速調節電負荷高峰時的特殊應急能源,如船舶、航空航天器的用電。