磁流體發電機

磁流體發電技術是一種新型的高效發電方式，由於無需經過機械轉換環節，所以也稱之為直接發電，燃料利用效率顯著提高，用燃料（石油、天然氣、燃煤、核能）直接加熱成易於電離的氣體，使之在2000℃高溫下電離成導電的離子流，然後讓其在磁場中高速流動切割磁力線，產生感應電動勢即由熱能直接轉換成電能，這種技術也稱為等離子體發電。

為了磁流體的離子化橫切穿過磁場時，按電磁感應定律，等離子體的正負粒子在磁場作用下分離，而聚集在與磁力線平等的兩個面上，由於電荷的聚集從而產生電。本技術難點在於需要鉀、銫等微量鹼金屬的惰性氣體如氦、氬等作為工質，所以氣體大規模且可接受成本的氣體合成技術為一難關；另一方面，磁流體高溫陶瓷通道需長期在2000-3000K溫度工作，而電極在高溫惰性氣體下工作也容易腐蝕，因而材料加工術為另一大難關。

磁流體發電，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中去，利用磁場對帶電的流體產生的作用，從而發出電來。

最簡單的開式磁流體發電機由燃燒室、發電通道和磁體組成。工作過程是在化石燃料燃燒后產生的高溫氣體中，加入易電離的鉀鹽或鈉鹽，使其部分電離后，經噴管加速產生高達攝氏3000度、速度達到1000米/秒的高溫高速導電氣體，最後產生電流。

燃煤磁流體發電技術--亦稱為等離子體發電，就是磁流體發電的典型應用，燃燒煤而得到的2.6×106℃以上的高溫等離子氣體並以高速流過強磁場時，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，發出直流電，經直流逆變為交流送入交流電網。

磁流體發電本身的效率僅20%左右，但由於其排煙溫度很高，從磁流體排出的氣體可送往一般鍋爐繼續燃燒成蒸汽，驅動汽輪機發電，組成高效的聯合循環發電，總的熱效率可達50%～60%，是目前正在開發中的高效發電技術中最高的。同樣，它可有效地脫硫，有效地控制NOx的產生，也是一種低污染的煤氣化聯合循環發電技術。

在磁流體發電技術中，高溫陶瓷不僅關係到在2000～3000K磁流體溫度能否正常工作，且涉及通道的壽命，亦即燃煤磁流體發電系統能否正常工作的關鍵，目前高溫陶瓷的耐受溫度最高已可達到3090K。

磁流體發電比一般的火力發電效率高得多，但在相當長一段時間內它的研製進展不快，其原因在於伴隨它的優點而產生了一大堆技術難題。磁流體發電機中，運行的是溫度在三、四千度的導電流體，它們是高溫下電離的氣體。為進行有效的電力生產，電離了的氣體導電性能還不夠，因此，還要在其中加入鉀、銫等金屬離子。但是，當這種含有金屬離子的氣流，高速通過強磁場中的發電通道，達到電極時，電極也隨之遭到腐蝕。電極的迅速腐蝕是磁流體發電機面臨的最大難題。另外，磁流體發電機需要一個強大的磁場，人們都認為，真正用於生產規模的發電機必須使用超導磁體來產生高強度的磁場，這當然也帶來技術和設備上的難題。最近幾年，科學家在導電流體的選用上有了新的進展，發明了用低熔點的金屬（如鈉、鉀等）作導電流體，在液態金屬中加進易揮發的流體（如甲苯、乙烷等）來推動液態金屬的流動，巧妙地避開了工程技術上一些難題，製造電極的材料和燃料的研製方面也有了新進展。但想一下子省錢省力地解決磁流體發電中技術、材料等方面的所有難題是不現實的。隨著新的導電流體的應用，技術難題逐步解決，磁流體發電的前景還是樂觀的。在美國，磁流體發電機的容量已超過32000千瓦；日本、德國、波蘭等許多國家都在研製碘流體發電機。我國也已研製出幾台不同形式的磁流體發電機。

根據電磁感應原理，用導電流體（氣體或液體）與磁場相對運動而發電。

導電流體在通道中橫越磁場B流過時，由於電磁感應而在垂直於磁場和流速的方向上感生出一個電場E，如把導電流體與外負載相接，導電流體中的能量就可直接轉換成電能，向外輸出（圖1）。這樣能省去普通發電機組中某些能量轉換的中間過程，因此這種發電又稱磁流體直接發電，在這種發電裝置中主要部件是發電通道、電極和磁場。

圖1 磁流體發電裝置示意圖

裝置類型 按照電流由導電流體中引出的方式，發 電裝置可分為傳導式和感應式兩種。在傳導式發電器中，電流是通過發電通道兩側的電極引出的；在感應式發電器中，沒有電極，電流直接由磁場繞組輸出。按照輸出 電流的類別，發電裝置可分為交流和直流兩種。根據工作介質在裝置中是一次使用還是在系統中循環使用，發電裝置可分為開式和閉式兩種。根據發電通道幾何形狀的不同，發電裝置可分為直線型、渦旋型和徑向外流型等幾種。下面介紹兩種裝置：

①開式循環直線型磁流體發電裝置這種發電裝置中的工作介質是溫度2500~3500開的高溫電離氣體，即等離子體。在連續電極的直線型發電裝置中（圖2a),如果平均電子碰撞頻率比電子在磁場中的迴旋頻率大得多，則當等離子體橫越磁場時，就感生出一個同磁場和流速相垂宜的電場，但當等離子體密度較低，電子在磁場中的迴旋頻率相當於或甚至大於平均電子碰撞頻率時，電子在磁場中就沿曲線運動。這一現象稱為霍耳效應，由此產生的垂直於電場的電流稱為霍耳電流。電子迴旋頻率ω與平均電子碰撞頻率1/t之比ωt稱為霍耳係數，它表徵霍耳效應的大小，在物理意義上相當於存在磁場時一個電子在兩次碰撞間轉過的弧度，也相當於沿等離子體流動方向的霍耳電流與平行於電場方向的電流之比。在連續電極發電裝置中，由於出現霍耳電流（損耗電流），平行於電場的電流要降低為原值的。為了減小霍耳電流，通常採用分段電極（圖2b），也可直接利用霍耳電流來代替平行於電場的電流，從而成為霍耳發電裝置（圖2c）。近年來又在此基礎上發展出斜框式通道的發電裝置。使用開式循環磁流體發電裝置可減少環境污染，特別對含硫較高的礦物燃料，由於在燃燒室中“種子”碳酸鉀幾乎完全離解，在發電裝置的通道下游，通過化學反應複合成硫酸鉀，從而顯著降低二氧化硫的排放量。

磁流體發電中的帶電流體，它們是通過加熱燃料、惰性氣體、鹼金屬蒸氣而得到的。在幾千攝氏度的高溫下，這些物質中的原子和電子的運動都很劇烈，有些電子甚至可以脫離原子核的束縛，發生電離，結果，這些物質變成自由電子、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加有強磁場的管道裡面，等離子體中帶有正、負電荷的高速粒子，在磁場中受到洛倫茲力的作用，分別向兩極板偏移，於是正負電荷累積在兩極板上並在兩極之間產生電壓，用導線將電壓接入電路中就可以使用了。

磁流體發電的另一個好處是產生的環境污染少。利用火力發電，燃燒燃料產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重要原因。利用磁流體發電，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，並被回收利用，這就避免了直接把硫排放到空氣中，對環境造成污染。

利用磁流體發電，只要加快帶電流體的噴射速度，增加磁場強度，就能提高發電機的功率。人們使用高能量的燃料，再配上快速啟動裝置，就可以使發電機功率達到1000萬kW，這就滿足了一些需要大功率電力的場合。目前，中國，美國、印度、澳大利亞以及歐洲共同體等，都積極致力於這方面的研究。

磁流體發電機產生電動勢，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台磁流體發電機，功率為115kW。此後各國均有研究製造，美蘇聯合研製的磁流體發電機U－25B在1978年8月進行了第四次試驗，氣體-等離子體流量為2～4kg/s，溫度為2950K，磁場為5T，輸出功率1300kW，共運行了50小時。目前許多國家正在研製百萬千瓦的利用超導磁體的磁流體發電機。

現在磁流體發電機製造中的主要問題是霍爾效應，目前只有10%。通道和電極的材料都要求耐高溫、耐鹼腐蝕、耐化學燒蝕等，目前所用材料的壽命都比較短，因而磁流體發電機不能長時間運行。