太陽能等離子體發(fā)電裝置

李錚楨 楊彪 柴明鋼

摘 要：太陽能為等離子體的產(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，并可對工業(yè)廢棄物等進行再利用。

關(guān)鍵詞：太陽能；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)代化進程加速，節(jié)約資源和保護環(huán)境不僅是可持續(xù)發(fā)展的重要保障，更是一項基本國策。“節(jié)能減排，綠色能源”的觀念日益深入人心。利用太陽能發(fā)電是解決當前能源危機、資源和環(huán)境等問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中切割磁力線產(chǎn)生的電動勢來發(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，將太陽能作為獲得等離子體的能量來源，結(jié)合等離子體發(fā)電技術(shù)，形成一種發(fā)電裝置。

1 太陽能等離子體發(fā)電裝置涉及的原理

太陽能等離子體發(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動劇烈，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)。當一電流垂直于外磁場方向通過導(dǎo)體時，在垂直于電流和磁場方向?qū)w的兩側(cè)會產(chǎn)生一電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，而所產(chǎn)生的電勢差也被稱為霍爾電壓[3]。

（2）洛倫茲力。運動電荷在磁場中所受的力稱為洛倫茲力，因其始終與運動電荷速度方向垂直而對運動電荷永遠不做功[4]。

2 等離子體發(fā)電技術(shù)的國內(nèi)外情況及展望

前蘇聯(lián)是世界上對磁流體發(fā)電研究投入最多的實驗裝置的國家[5]。中國在二十世紀六十年代初期開始研究磁流體發(fā)電，先后在北京、上海等地建成試驗基地。將它作為“863”計劃中能源領(lǐng)域的兩個研究主題之一。

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，問題逐步得到解決。等離子體發(fā)電技術(shù)對比傳統(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。同時太陽能等離子體發(fā)電也繼承部分優(yōu)點，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。太陽能電池板通過光生伏特效應(yīng)獲得的直流電壓，在大陣列的太陽能電池板條件下，獲得足夠的電能并儲蓄在蓄電池組中。利用太陽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，并通過調(diào)節(jié)逆變器件，獲得所需的電壓平均值和頻率，對于渦流熔爐而言，該平均值和頻率要求較高。渦輪熔爐在高頻交流電壓通過渦流效應(yīng)，可產(chǎn)生足夠溫度和熱量來為電離提供能量。

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10^4K的溫度下電離，體系中會出現(xiàn)多種組分，如氬氣電離，體系中會出現(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，通道相對應(yīng)側(cè)放置N極和S極磁體，在磁場的作用下，帶不同極性的等離子體均受到垂直于運動方向但方向相向的洛倫茲力的作用，運動軌跡產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，正負離子朝不同方向運動，從而帶同種電荷的離子落到同一極板上，從而產(chǎn)生電勢差。圖1為太陽能等離子體發(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)強度，V為發(fā)動機的體積[7]。

圖1 太陽能等離子體發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)束語

太陽能等離子體發(fā)電裝置在繼承傳統(tǒng)的等離子體發(fā)電的基礎(chǔ)上改變原有的等離子體的產(chǎn)生，通過太陽能為等離子體的產(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)計方案。雖然太陽能以及等離子體的轉(zhuǎn)換效率不一定有預(yù)計的理想，但通過該設(shè)計，能降低有害物排放，減少對環(huán)境的破壞，提高對新型能源的利用。太陽能等離子體發(fā)電由熱能直接轉(zhuǎn)換成電流，無需經(jīng)機械轉(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的強度，從而能獲得較高電壓，可實現(xiàn)具有工業(yè)應(yīng)用價值的等離子體發(fā)電，滿足一些需要大功率電力的場合。

參考文獻

[1]陳昕，范海濤.太陽能光熱發(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].煤礦機械，2004（5）.

[3]張云會.霍爾效應(yīng)的發(fā)展及應(yīng)用[J].紡織高校基礎(chǔ)科學學報，2002（3）.

[4]李中玉.洛倫茲力做功微探[J].物理通報，2010（9）.

[5]嚴陸光，居滋象，等.磁流體發(fā)電技術(shù)國際進展與我國戰(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，2008（12）.

[7]居滋象，彭燕.磁流體發(fā)電[J].電氣時代，2002（11）.

作者簡介：李錚楨（1995-），女，漢族，浙江人，在讀本科，南昌航空大學測試與光電工程學院測控技術(shù)與儀器專業(yè)學生。