太陽(yáng)能等離子體發(fā)電裝置

李錚楨 楊彪 柴明鋼

摘 要：太陽(yáng)能為等離子體的產(chǎn)生提供清潔能源，利用高頻逆變技術(shù)和渦流效應(yīng)，使一些工業(yè)廢棄物、生物質(zhì)等物質(zhì)在渦流熔爐內(nèi)汽化，產(chǎn)生高溫氣體并摻雜易電離的鉀鹽等，從而獲得等離子體。以代替以燃燒化石燃料獲得等離子體的傳統(tǒng)等離子體發(fā)電的做法，并可對(duì)工業(yè)廢棄物等進(jìn)行再利用。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；清潔能源；電離；等離子體；發(fā)電

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和現(xiàn)代化進(jìn)程加速，節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境不僅是可持續(xù)發(fā)展的重要保障，更是一項(xiàng)基本國(guó)策。“節(jié)能減排，綠色能源”的觀念日益深入人心。利用太陽(yáng)能發(fā)電是解決當(dāng)前能源危機(jī)、資源和環(huán)境等問(wèn)題的有效途徑和方法[1]。

等離子體發(fā)電（Plasma Generation）又稱磁流體發(fā)電，是利用高溫高速等離子體在磁場(chǎng)中切割磁力線產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)來(lái)發(fā)電[2]。等離子體也被稱為第四物質(zhì)狀態(tài)，分為高溫和低溫等離子體，其中高溫等離子體用作發(fā)電，低溫等離子體常用于生產(chǎn)領(lǐng)域。基于高效率、低污染的理念，將太陽(yáng)能作為獲得等離子體的能量來(lái)源，結(jié)合等離子體發(fā)電技術(shù)，形成一種發(fā)電裝置。

1 太陽(yáng)能等離子體發(fā)電裝置涉及的原理

太陽(yáng)能等離子體發(fā)電裝置主要分為等離子體的產(chǎn)生和利用等離子體發(fā)電兩部分。等離子體的產(chǎn)生涉及到光生伏特效應(yīng)、高頻逆變技術(shù)、渦流效應(yīng)以及高溫下的電離；利用等離子體發(fā)電則涉及到霍爾效應(yīng)、洛倫茲力等。

1.1 等離子體的產(chǎn)生

（1）高頻逆變。逆變是一種將直流電變?yōu)榻涣麟姷募夹g(shù)。高頻逆變通常現(xiàn)將低壓直流電通過(guò)高頻振蕩變?yōu)榈蛪焊哳l交流電，在變壓器的作用下，變?yōu)楦邏焊哳l交流電。此時(shí)的高壓高頻交流電含紋波等不穩(wěn)定因素，通常在需要通過(guò)濾波的整流變?yōu)榉当容^穩(wěn)定的符合要求的交流電。

（2）高溫電離。在高溫氣體中加入容易電離的鉀鹽或鈉鹽，這些物質(zhì)中的原子和電子在獲得能量后運(yùn)動(dòng)劇烈，物質(zhì)中的電子甚至可脫離原子核的引力束縛，最終變成自由電子及失去電子的離子等的混合物，產(chǎn)生等離子體。

1.2 利用等離子發(fā)電

（1）霍爾效應(yīng)。當(dāng)一電流垂直于外磁場(chǎng)方向通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)方向?qū)w的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，而所產(chǎn)生的電勢(shì)差也被稱為霍爾電壓[3]。

（2）洛倫茲力。運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受的力稱為洛倫茲力，因其始終與運(yùn)動(dòng)電荷速度方向垂直而對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷永遠(yuǎn)不做功[4]。

2 等離子體發(fā)電技術(shù)的國(guó)內(nèi)外情況及展望

前蘇聯(lián)是世界上對(duì)磁流體發(fā)電研究投入最多的實(shí)驗(yàn)裝置的國(guó)家[5]。中國(guó)在二十世紀(jì)六十年代初期開(kāi)始研究磁流體發(fā)電，先后在北京、上海等地建成試驗(yàn)基地。將它作為“863”計(jì)劃中能源領(lǐng)域的兩個(gè)研究主題之一。

等離子體發(fā)電也受到高溫環(huán)境、空氣導(dǎo)電率低、電極易腐蝕等限制，但隨著技術(shù)水平的提高，問(wèn)題逐步得到解決。等離子體發(fā)電技術(shù)對(duì)比傳統(tǒng)火力發(fā)電技術(shù)，在發(fā)電效率、燃煤利用率、污染物排放等方面都有顯著提高。同時(shí)太陽(yáng)能等離子體發(fā)電也繼承部分優(yōu)點(diǎn)，與新型能源結(jié)合，在降低污染和減少化石燃料的使用方面有一定裨益。

3 太陽(yáng)能等離子體發(fā)電裝置的基本思路

利用等離子體發(fā)電，首先要獲得足夠電離空氣等的高溫。太陽(yáng)能電池板通過(guò)光生伏特效應(yīng)獲得的直流電壓，在大陣列的太陽(yáng)能電池板條件下，獲得足夠的電能并儲(chǔ)蓄在蓄電池組中。利用太陽(yáng)能電池板獲得是直流電壓，其電壓只有大小區(qū)分，不具有方向性，不能產(chǎn)生渦流效應(yīng)。在高頻逆變器的作用下，可將低壓直流電逆變成高壓交流電，并通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器件，獲得所需的電壓平均值和頻率，對(duì)于渦流熔爐而言，該平均值和頻率要求較高。渦輪熔爐在高頻交流電壓通過(guò)渦流效應(yīng)，可產(chǎn)生足夠溫度和熱量來(lái)為電離提供能量。

氣體在常溫下通常絕緣，只有在高溫下，才能電離和有較大的導(dǎo)電率。通常的做法是在高溫燃燒的氣體中添加一定量的且容易電離的物質(zhì)，如鉀、鈉等堿金屬化合物，以此引導(dǎo)等離子體的產(chǎn)生。氣體在高達(dá)10^4K的溫度下電離，體系中會(huì)出現(xiàn)多種組分，如氬氣電離，體系中會(huì)出現(xiàn)電子、氬離子、氬分子等[6]。產(chǎn)生的等離子體經(jīng)高速噴射器打入發(fā)電通道后，通道相對(duì)應(yīng)側(cè)放置N極和S極磁體，在磁場(chǎng)的作用下，帶不同極性的等離子體均受到垂直于運(yùn)動(dòng)方向但方向相向的洛倫茲力的作用，運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，正負(fù)離子朝不同方向運(yùn)動(dòng)，從而帶同種電荷的離子落到同一極板上，從而產(chǎn)生電勢(shì)差。圖1為太陽(yáng)能等離子體發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

等離子體發(fā)電中，輸出功率P，可表示為：

P=k（1-k）？滓u2B2V

式中 k為負(fù)載系數(shù)，σ導(dǎo)電流體的電導(dǎo)率，u為導(dǎo)電流體的速度，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，V為發(fā)動(dòng)機(jī)的體積[7]。

圖1 太陽(yáng)能等離子體發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能等離子體發(fā)電裝置在繼承傳統(tǒng)的等離子體發(fā)電的基礎(chǔ)上改變?cè)械牡入x子體的產(chǎn)生，通過(guò)太陽(yáng)能為等離子體的產(chǎn)生提供清潔能源，代替以燃燒化石燃料獲得等離子體的傳統(tǒng)等離子體發(fā)電的做法，是該裝置的主要思想。在此設(shè)想的基礎(chǔ)上，我們也可以尋找有別于傳統(tǒng)做法的清潔、節(jié)能做法，獲得更多合理的設(shè)計(jì)方案。雖然太陽(yáng)能以及等離子體的轉(zhuǎn)換效率不一定有預(yù)計(jì)的理想，但通過(guò)該設(shè)計(jì)，能降低有害物排放，減少對(duì)環(huán)境的破壞，提高對(duì)新型能源的利用。太陽(yáng)能等離子體發(fā)電由熱能直接轉(zhuǎn)換成電流，無(wú)需經(jīng)機(jī)械轉(zhuǎn)換，所以稱之為直接發(fā)電。且理論上只要提高離子體噴射的速度和磁場(chǎng)的強(qiáng)度，從而能獲得較高電壓，可實(shí)現(xiàn)具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的等離子體發(fā)電，滿足一些需要大功率電力的場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

[1]陳昕，范海濤.太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀[J].能源與環(huán)境，2012（2）.

[2]郭鐵梁.等離子體及磁流體發(fā)電技術(shù)[J].煤礦機(jī)械，2004（5）.

[3]張?jiān)茣?huì).霍爾效應(yīng)的發(fā)展及應(yīng)用[J].紡織高校基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)報(bào)，2002（3）.

[4]李中玉.洛倫茲力做功微探[J].物理通報(bào)，2010（9）.

[5]嚴(yán)陸光，居滋象，等.磁流體發(fā)電技術(shù)國(guó)際進(jìn)展與我國(guó)戰(zhàn)略[J].電工電能新技術(shù)，1994（1）.

[6]常海花.高溫部分電離氣體射流引射特性研究[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2008（12）.

[7]居滋象，彭燕.磁流體發(fā)電[J].電氣時(shí)代，2002（11）.

作者簡(jiǎn)介：李錚楨（1995-），女，漢族，浙江人，在讀本科，南昌航空大學(xué)測(cè)試與光電工程學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生。