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发表时间:2011-5-15 12:00:03 IP:58.20.139.61 |
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主题:磁性材料与技术在现代能源中的应用 |
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磁性材料与技术在现代能源中的应用
1 引言
能源是人类社会发展的物展基础，没有能源人类是无法生存的。所谓能源，就是人类取得能量的来源，它分为1次能源——经开采或收集后未经任何改变或转换的能源，如原煤、原油、河流的水等；2次能源——经过加工转换后获得的1次能源，如油料、电力、沼气、核能等；终端能源——1次、2次能源经过输送、储存和分配，供给用户使用的能源，如用于炊事、照明、运输的热能和电能等。
现在，能源危机是1个世界性的问题。由于目前人类的90％以上工业性能源是来自煤、石油、天然气等天然资源，它们是用之有竭的。所以节约能源、开发新能源就显得十分重要，磁性技术在其中担当着重要的角色，也是确保人类可持续发展的有效措施之一。
2 磁性技术在节约能源方面的应用
2.1 节能的永磁材料
降低现有磁性材料的损耗，研发更低损耗的新材料，便可以在使用磁性材料的各种电机和电器中节约能源。例如，用永磁体代替电流在空间形成1个静磁场（如永磁电机中的定子磁场或转子磁场，扬声器和仪器仪表中的气隙磁场等），这样，不但节省了电能，降低了温度，而且省去1部分电源及控制系统、冷却系统。利用没有励磁线圈的铁芯，不发热的稀土永磁电机来代替常用电动机，可缩小体积，减轻重量，提高效率。如在汽车中用永磁电机替代传统的电机，可使体积和重量减小40％～70％，效率提高50％以上，并可节省铜材和电力。将电气设备中大量使用的电磁开关、电磁阀的电磁铁换成永磁体，可节电90％以上。
在人类活动中，大量的能源消耗在克服摩擦力的做功上。利用永磁体之间的排斥力和吸引力，做成各种磁悬浮系统，如果再将系统中的空气抽出，则摩擦力几乎按近于零。例如，利用磁悬浮原理制成新型磁轴承，其能源可降低90％以上，转速可达每分钟几十万转。又如，应用磁耦合的齿轮传动机构，可以做到不啮而合，隔而不断，从而大量节约能源。再如，有1种在100大气压高压室内工作的机构，仅用以克服从动轴与高压室壁间所设置的轴封摩擦即要消耗25kW的功率，如应用磁耦合减速器，用1kW电动机便可操纵高压室内的机构工作。同时，磁性轴承和磁性传动器均无需直接接触，不必润滑，没有污染。
用永磁体在空间建立1个磁场，除了在制作该永磁体时消耗一定能源外，长期使用过程中不再另外消耗能源，显然，利用永磁体能够取得节约资源、节省能源的显著效果。
2.2 奇特的非晶态磁性合金
非晶态磁性合金就是磁性玻璃。这种非晶态合金材料是将熔融的金属用每秒近100万℃的超急冷方法直接喷在高速旋转的风轮上，使熔化的液态合金立即凝固成薄带，来不及结晶而形成非晶态。
非晶态合金具有铁芯损耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等特点。在漏电保护器、电感滤波器、电力配电变压器和开关电源等方面已获得广泛应用。由于非晶态材料的厚度只有0.03mm，所以铁芯的占空系数较小，约在0.4～0.7之间，其铁芯损耗也仅为硅钢片的1/3，用作变压器铁芯，不但具有优良的高频电磁性能，而且与常规产品相比，体积可缩小30％，总能量损耗减少40％～60％。据资料显示，由于铁芯发热，日本每年要损耗60亿度电，相当于2000亿日元的价值。据估计，我国变压器的总损耗占系统发电量的10％左右，损耗每降低1％，每年可节约上百亿度电，其节能效果十分显著。
2.3 磁性节能器件
磁水器在锅炉和热交换系统中的使用，不但提高了热效应，节约了能源，而且还减少了管道和设备的除垢工作。根据美国商业部和国家标准局的资料，锅炉的水垢厚度为0.4mm～9.6mm，平均效率损失为4％～48％，每千升（或每千加仑）燃油浪费40升～480升（或加仑）。按照美国的运行情况，某些锅炉在进行酸洗除垢之前，其积垢厚度有的可达8mm左右，其燃油的浪费相当严重。其它国家和地区，因水质和维护水平不同，严重者会造成更大损失。如果采用磁力除垢器或磁水器均可节约能源并提高维护保养水平。我国某油田用磁水器处理石油，使石油除蜡降粘，热洗周期由12天增加到140天，单井年节电达1.4万度，年节约天然气1.8万m3，年增产原油180吨，多获利2万元。
将磁化节油减烟器，燃油增能器或磁力强化节能器用于以碳氢化合物（油、气）为燃料的燃烧设备中，其节能效果明显。例如炼钢炉、锅炉、电站、各种发动机等设备均可装设此类节能器，令其燃料在使用之前进行磁化，使油、气分子键断裂雾化，使其充分燃烧，提高燃烧效率，从而省油、省气5％～15％。由于燃烧室温度升高，发动机（引擎）输出增加，可防止积垢，可使CO、NO等有害气体的排放降低25％～65％，同时还可使废气中的含尘量降低25％～40％。在开采或炼制石油的输油管道中，采用此类设置，也可取得有利于油气输送、除蜡降粘的效果。
用于石油钻井7km深处打捞作业的稀土钴永磁强磁力打捞器，可将掉落井里的钻头、齿轮、轴承、工具、碎片及其它杂物打捞干净，确保钻井速度，并保护油井不致报废。我国研制成功的60kVA永磁副励磁机，选用钐镨钴稀土永磁体装在切面磁路的转子上，电机功率等级是原型机的2.45倍，轴长缩短了1半，稀土永磁的用量仅为铝镍钴副励磁的47％，成本只有电磁副磁机系统总成本的1/3左右。
2.4 绿色节能磁冰箱
利用“绝热去磁”（给1种磁性材料施加磁场时发热，去掉磁场时冷却）全新原理工作的磁冰箱，其致冷工作效率为常规气体致冷机的2倍～4倍，能耗低，可节电50％。由于使用固体工质，故而体积小、重量轻，又无压缩机，很少有零件磨损和挤压现象。即使有运动部件，其转速也十分缓慢，故而省电、便于维护、寿命长、无振动噪音，没有氟里昂对环境的污染，可保护臭氧层，因此被称为绿色冰箱。
近来美国埃姆兹实验室制成1台以钆颗粒为致冷材料的样机，其循环系统较复杂，要求的工作磁场较高（5T），这样高的磁场只有超导磁体才能达到。我国包头稀土研究院与包头钢铁学院共同承担的“稀土磁致冷技术开发”课题，已制成1种采用钕铁硼永磁磁场装置，其强度为1.3T～2.0T，使室温磁致冷技术向实用化方向迈进一大步。
2.5 其它节能实例
电子镇流器只需传统式镇流器的70％的电功率便能令萤光灯发出同样的光度。由于使用较小的磁性电感器，不需要启动器，可节能30％，具有快速、重量轻、噪音低的特点，效率高达65％～85％。小损耗的开关电源必须使用的变压器，扼流圈，杂波滤波器、饱和电抗器等4种磁性元件，全部可由磁性材料制造。
不用水和色浆的磁性染色工艺就是利用磁力和分散染料升华作用的1种连续染色法，可用于染素色和图案印花。它无需使用水、溶剂和印花纸，且能耗大大减小。
没有火患的安全灶——电磁炉，是1种新型“冷加热”电气灶具。这是通过高频交变磁场与铁锅（或不锈钢锅）相互作用来加热的，其热效率高，节省电力。同样是1.2kW，一般加热器的热效率只有56％，而电磁炉的热效率却达到83％，烧沸同量水的时间可缩短1/3。温度可调，安全卫生，与微波炉相比，还具有价格低、宜炒菜特别是做中餐的特点，目前在我国已经实用化、商品化。
利用磁场制作的水泥，具有松散，不结块的特点。由于磁场的作用使水泥旋转，只要在水泥中添加1种可与水泥吸附在一起的铁磁材料，使之具有韧性和弹性。因无转动部件，磨损极小，耗能少。磁性水泥混凝土的形状和大小不受限制，具有良好的持久性，在水中和海洋工程方面，可用于磁性定位；在危险地区可作成磁性地段，便于检测；在路面上作磁性标记以引导盲人步行，使汽车通行无阻。
3 磁性技术与新能源开发
3.1 磁流体发电
磁流体发电就是“等离子体发电”，是将热能转换为电能的1种方式，其基本原理仍是导体切割磁力线感应而产生电动势。不同的是磁流体发电中的导电流体代替了普通发电机中的金属导体。即当高温高速气流通过强磁场时，气流由于高温电离变成等离子导电流体，并切割磁力线而产生感应电势和电能。目前，世界上主要研究燃烧矿物燃料的开环磁流体发电，燃煤磁流体联合循环等高效率、低污染、大功率发电的高新技术。其发电效率比传统的水力、火力、核能发电提高50％～60％。1个百万kW的磁流体发电厂，年节煤可达100万吨，造价仅为火力发电厂的1/4。
3.2 磁约束与受控核聚变
目前，原子能发电是利用重原子核的裂变反应释放的能量。据估计，地球上的裂变材料藏量只够用几千年，如果改用轻原子核（如氘）聚变反应释放能量发电，则地球上的氘可用几千亿年。要实现可控聚变反应则需要上亿度（>108K）的高温和一定密度的重氢等离子体维持一定时间。目前，1种有效方法就是利用一定形状和强度的强磁场——磁约束来实现。最近，美国科学家在探讨核聚变研究新方向时，由普拉格等人提出的4种约束等离子体新方法中最重要的就是磁约束技术。
德国力求在新能源探索中占据国际领先地位，将建造世界最大仿星器受控核聚变装置。该装置的关键部件是产生磁场的超导线圈和隔热箱，二者目前已研制成功并通过试验。德国科学家采用铌钛合金导线作为超导线圈材料，由200根超导线材制电缆，共外用强化铝合金冷凝管中的液态氮冷却至4K，整个装置所使用的超导线长度达60km。加热与约束等离子体是受控核聚变研究的两大课题，其中约束主要有磁约束和惯性约束2种途径。磁约束曾使用过多种装置，至今前途较明朗的闭式环形装置有托卡马克和仿星器。托卡马克主要利用电磁感应产生的环电流等来约束等离子体，而仿星器对等离子体的约束主要借助外导体的电流等产生的强磁场。
3.3 磁性材料与风能技术
风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均匀，引起空气运动所产生的能量。地球上近地层风能总储量约为1.3 × 1012kW，估计我国风能总储量达1.6×109kW，在世界上排列第三，可开发利用的约为1/10。风能量是利用风力推动风力机而产生的。利用风力可以发电、提水、助航、致冷和致热等。风力机是将风能转化为其它形式能量（如电能、机械能、热能等）的旋转机械。用永磁材料制成的大输出旋转机械在风力机中获得了应用，例如在转子外侧而定子在内侧的外转子发电机中，永磁体粘结在圆筒形转子轮的内圆周面，因此转子轮本身可防止永磁体的飞脱，因而磁通不会降低。
风能是1种干净的绿色可再生能源，在技术上已日渐成熟，在价格上逐步具有竞争力，如美国目前的风能电价格仅为每度9美分。
4 超导磁体的功能
把某种金属物质冷至特定温度以下，其电阻为零的现象称为超导性。这种超导性将使电力传输、电机及其各种电力电子设备完全不消耗能量，可以制成超强的磁铁用于巨大的粒子加速器。如何将其实用化，这是科技人员开发的重点。一旦金属线圈在超导状态下被接通电流以后，电流就会持久地流动，并会产生比普通永久磁铁大十几倍的磁场。这一超导电性与磁性若能共存而不互相破坏，则会加速超导技术的实际应用。
4.1 磁悬浮列车
这种列车是利用直流电机原理，在磁力作用下使车辆浮起并沿着特制的导轨运行，是介于常规铁路与航空之间的1种交通运输工具。它具有速度高、振动小、噪音低、无污染、安全舒适、可靠、占地面积小、运输费用低等特点，成为继“海陆空”之后的“第四大交通运输工具”。磁悬浮列车的原理已提出20多年，世界各发达国家竞相开发，德、日、英等位居前列，日本取得的最高速度达517km/h。目前速度达350km/h的磁悬浮列车已在发达国家投入商业运营。
磁悬浮列车的核心是产业巨大磁力的永磁体（或电磁体）。这种永磁体可以是常导和超导磁铁，而超导磁体的制造费用相当高，采用常导磁体代替超导磁体一直是人们努力的方向。将超导电性与磁性经“优化组合”而成的新材料——超导磁铁，是演绎本世纪交通工具革命的前题。最近美国1位科学家宣布，已研究出1种由铁、硼和钕合金制成的永磁体，它可以不用借助外力就能让沉重的机车悬浮起来，这一成果有望使磁悬浮列车很快进入实用阶段。我国第一台载人常导磁悬浮车于1997年在西南交通大学试验运行。据最新报道，我国自行设计建造的第一条中低速磁悬浮列车试验线在国防科技大学建成通车，并通过验收评审，已无故障运行2000km。四川磁悬浮列车采用高温超导技术建造，有望在2008年落户北京奥运赛场。据成都最新城市规划透露，中美双方共同合作的磁悬浮飞机项目，预计全球第一架可容纳100余名乘客的磁悬浮飞机将于2004年起飞。
4.2 超导磁分离技术
磁分离是根据各种物质磁性的差别来进行分选的1种方法。由于具有不同磁性的颗粒在磁分离装置分选空间中，受到磁力、机械力（重力、离心力、摩擦力和水、气流动力等）不同的作用，会沿着不同路径运动，因此可以分别接取，从而得到磁性和非磁性产品。超导磁分离就是用超导磁体取代磁分离装置中的常规磁体。现已实用的铌钛和铌三锡超导线材，其临界电流密度高达104A/cm2～105A/cm2，比铜线材的最高允许电流密度高几百倍至几千倍。所以超导磁体可在数米的工作口径内产生几万Gs以上的磁场强度。另外，超导磁体通电励磁后，如经超导开关闭合，再切断供电电路，可构成闭合的超导持续电流回路，长期运行仅消耗维持低温致冷所需的很小功率，是常规磁体不可比拟的。据估计，超导磁体与常规磁体能耗之比为1∶25，处理量之比大于10，尺寸可减小1/3～1/2。超导磁分离可用来分离黑色金属、有色金属、稀有金属和其它工业原料。过去，在工厂，通常是用水冷式的铜线圈电磁铁分离器，耗用大量电力。现在，磁场为5T的超导磁铁所消耗的电能只是原来2T传统磁铁的5％左右。
4.3 超导磁力推进船
超导电磁推进系统因不带推进器而没有噪声和振动，无需燃料，结构简单，速度达150km/h以上，其推进力是按照弗莱明左手定则产生的。安装在靠近船底部的超导磁体在海水中产生磁场。当电流在垂直于磁场的方向上流过时，便会在与电流和磁场相垂直的方向下产生1种动力，把大量的海水向前或向后推进，从而把船体推向前进。由于这种超导电磁推进系统对海水的作用面积大而推动力大，使船舶航速很高。1万吨轮船在航速达160km/h时倒车和变速都很方便，控制性能良好，特别适用于各种高速船如半潜式双体船、潜艇、可潜式油船、海洋考察船和破冰船等。
4.4 制造强磁场
凝聚态物理研究需要强磁场，而强磁场技术在科学技术中的应用反映出1个国家的科技发展水平。强磁场分为稳态磁场、超导磁场和脉冲磁场3大类。粒子加速器靠强磁场加速原子、粒子，并使这些粒子沿着环行轨道行进。磁场强度增加1倍，就可使加速器的规格尺寸缩小一半。目前，超导磁场已达到21T的程度。
5 结束语
能源是人类社会发展的物质基础，现代化建设的先驱，是世界各国十分重视的领域之一。磁性技术在解决当前能源危机中扮演着重要的角色，尤其在节约能源、开发新能源方面，其效果十分显著，应当加以推广。
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