太阳能等离子体发电装置

李铮桢 杨彪 柴明钢

摘 要：太阳能为等离子体的产生提供清洁能源，利用高频逆变技术和涡流效应，使一些工业废弃物、生物质等物质在涡流熔炉内汽化，产生高温气体并掺杂易电离的钾盐等，从而获得等离子体。以代替以燃烧化石燃料获得等离子体的传统等离子体发电的做法，并可对工业废弃物等进行再利用。

关键词：太阳能；清洁能源；电离；等离子体；发电

随着产业结构优化和现代化进程加速，节约资源和保护环境不仅是可持续发展的重要保障，更是一项基本国策。“节能减排，绿色能源”的观念日益深入人心。利用太阳能发电是解决当前能源危机、资源和环境等问题的有效途径和方法[1]。

等离子体发电（Plasma Generation）又稱磁流体发电，是利用高温高速等离子体在磁场中切割磁力线产生的电动势来发电[2]。等离子体也被称为第四物质状态，分为高温和低温等离子体，其中高温等离子体用作发电，低温等离子体常用于生产领域。基于高效率、低污染的理念，将太阳能作为获得等离子体的能量来源，结合等离子体发电技术，形成一种发电装置。

1 太阳能等离子体发电装置涉及的原理

太阳能等离子体发电装置主要分为等离子体的产生和利用等离子体发电两部分。等离子体的产生涉及到光生伏特效应、高频逆变技术、涡流效应以及高温下的电离；利用等离子体发电则涉及到霍尔效应、洛伦兹力等。

1.1 等离子体的产生

（1）高频逆变。逆变是一种将直流电变为交流电的技术。高频逆变通常现将低压直流电通过高频振荡变为低压高频交流电，在变压器的作用下，变为高压高频交流电。此时的高压高频交流电含纹波等不稳定因素，通常在需要通过滤波的整流变为幅值比较稳定的符合要求的交流电。

（2）高温电离。在高温气体中加入容易电离的钾盐或钠盐，这些物质中的原子和电子在获得能量后运动剧烈，物质中的电子甚至可脱离原子核的引力束缚，最终变成自由电子及失去电子的离子等的混合物，产生等离子体。

1.2 利用等离子发电

（1）霍尔效应。当一电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于电流和磁场方向导体的两侧会产生一电势差，这种现象称为霍尔效应，而所产生的电势差也被称为霍尔电压[3]。

（2）洛伦兹力。运动电荷在磁场中所受的力称为洛伦兹力，因其始终与运动电荷速度方向垂直而对运动电荷永远不做功[4]。

2 等离子体发电技术的国内外情况及展望

前苏联是世界上对磁流体发电研究投入最多的实验装置的国家[5]。中国在二十世纪六十年代初期开始研究磁流体发电，先后在北京、上海等地建成试验基地。将它作为“863”计划中能源领域的两个研究主题之一。

等离子体发电也受到高温环境、空气导电率低、电极易腐蚀等限制，但随着技术水平的提高，问题逐步得到解决。等离子体发电技术对比传统火力发电技术，在发电效率、燃煤利用率、污染物排放等方面都有显著提高。同时太阳能等离子体发电也继承部分优点，与新型能源结合，在降低污染和减少化石燃料的使用方面有一定裨益。

3 太阳能等离子体发电装置的基本思路

利用等离子体发电，首先要获得足够电离空气等的高温。太阳能电池板通过光生伏特效应获得的直流电压，在大阵列的太阳能电池板条件下，获得足够的电能并储蓄在蓄电池组中。利用太阳能电池板获得是直流电压，其电压只有大小区分，不具有方向性，不能产生涡流效应。在高频逆变器的作用下，可将低压直流电逆变成高压交流电，并通过调节逆变器件，获得所需的电压平均值和频率，对于涡流熔炉而言，该平均值和频率要求较高。涡轮熔炉在高频交流电压通过涡流效应，可产生足够温度和热量来为电离提供能量。

气体在常温下通常绝缘，只有在高温下，才能电离和有较大的导电率。通常的做法是在高温燃烧的气体中添加一定量的且容易电离的物质，如钾、钠等碱金属化合物，以此引导等离子体的产生。气体在高达10^4K的温度下电离，体系中会出现多种组分，如氩气电离，体系中会出现电子、氩离子、氩分子等[6]。产生的等离子体经高速喷射器打入发电通道后，通道相对应侧放置N极和S极磁体，在磁场的作用下，带不同极性的等离子体均受到垂直于运动方向但方向相向的洛伦兹力的作用，运动轨迹产生偏转，正负离子朝不同方向运动，从而带同种电荷的离子落到同一极板上，从而产生电势差。图1为太阳能等离子体发电装置的结构示意图。

等离子体发电中，输出功率P，可表示为：

P=k（1-k）？滓u2B2V

式中 k为负载系数，σ导电流体的电导率，u为导电流体的速度，B为磁感应强度，V为发动机的体积[7]。

图1 太阳能等离子体发电装置结构示意图

4 结束语

太阳能等离子体发电装置在继承传统的等离子体发电的基础上改变原有的等离子体的产生，通过太阳能为等离子体的产生提供清洁能源，代替以燃烧化石燃料获得等离子体的传统等离子体发电的做法，是该装置的主要思想。在此设想的基础上，我们也可以寻找有别于传统做法的清洁、节能做法，获得更多合理的设计方案。虽然太阳能以及等离子体的转换效率不一定有预计的理想，但通过该设计，能降低有害物排放，减少对环境的破坏，提高对新型能源的利用。太阳能等离子体发电由热能直接转换成电流，无需经机械转换，所以称之为直接发电。且理论上只要提高离子体喷射的速度和磁场的强度，从而能获得较高电压，可实现具有工业应用价值的等离子体发电，满足一些需要大功率电力的场合。

参考文献

[1]陈昕，范海涛.太阳能光热发电技术发展及现状[J].能源与环境，2012（2）.

[2]郭铁梁.等离子体及磁流体发电技术[J].煤矿机械，2004（5）.

[3]张云会.霍尔效应的发展及应用[J].纺织高校基础科学学报，2002（3）.

[4]李中玉.洛伦兹力做功微探[J].物理通报，2010（9）.

[5]严陆光，居滋象，等.磁流体发电技术国际进展与我国战略[J].电工电能新技术，1994（1）.

[6]常海花.高温部分电离气体射流引射特性研究[D].北京：北京航空航天大学，2008（12）.

[7]居滋象，彭燕.磁流体发电[J].电气时代，2002（11）.

作者简介：李铮桢（1995-），女，汉族，浙江人，在读本科，南昌航空大学测试与光电工程学院测控技术与仪器专业学生。