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太阳风发电 祁磊 (生命科学院 ) 指导老师:张璞扬. 内容: 内容: 1 、太阳风简介 2 、磁流体发电简介 3 、太阳风发电具体设想及功率计算.

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1 太阳风发电 祁磊 (生命科学院 ) 指导老师:张璞扬

2 内容: 内容: 1 、太阳风简介 2 、磁流体发电简介 3 、太阳风发电具体设想及功率计算

3 “ 太阳风 ” 是 太阳连续不断地 向宇宙空间辐射 出的稳定粒子流。 “ 太阳风 ” 是 太阳连续不断地 向宇宙空间辐射 出的稳定粒子流。 1 、太阳风简介 1 、太阳风简介

4 1962 年,美国的 “ 水手二号 ” 卫星在宇宙中观 测到太阳连续不断地向外辐射等离子体,证实了 太阳风的存在。在太阳的宁静期内所产生的太阳 风称为 “ 宁静太阳风 ” ,它在地球轨道附近的速度 约为 450km/s ,每立方厘米所含质子数约 个,质子温度达几万度,当太阳活动较强时,日 冕抛出更强大的粒子流,称为 “ 扰动太阳风 ” ,平 均速度可达 km/s ,在地球附近每立方 厘米所含质子数可达几十个,质子温度有时可达 几百万度(电子温度是质子温度的 3--4 倍)。太 阳风主要含质子和电子,是等离子体,利用太阳 风发电用的是磁流体发电技术。 1962 年,美国的 “ 水手二号 ” 卫星在宇宙中观 测到太阳连续不断地向外辐射等离子体,证实了 太阳风的存在。在太阳的宁静期内所产生的太阳 风称为 “ 宁静太阳风 ” ,它在地球轨道附近的速度 约为 450km/s ,每立方厘米所含质子数约 个,质子温度达几万度,当太阳活动较强时,日 冕抛出更强大的粒子流,称为 “ 扰动太阳风 ” ,平 均速度可达 km/s ,在地球附近每立方 厘米所含质子数可达几十个,质子温度有时可达 几百万度(电子温度是质子温度的 3--4 倍)。太 阳风主要含质子和电子,是等离子体,利用太阳 风发电用的是磁流体发电技术。

5 2. 磁流体发电简介: 磁流体发电( MHD ),即电磁流体力学发 电,原理是把磁铁的磁场附加于流路,使 导电性流体发生运动,由法拉第电磁感应 定律,从而产生垂直于磁场和运动方向的 感应电势。由于 MHD 发电不用汽输发电机 进行热 —— 机 —— 电的转换,所以它同太 阳电池、热电子发电一样,同属于直接转 换为电能的方式之一、效率较高。太阳风 发电就属于磁流体发电。 磁流体发电( MHD ),即电磁流体力学发 电,原理是把磁铁的磁场附加于流路,使 导电性流体发生运动,由法拉第电磁感应 定律,从而产生垂直于磁场和运动方向的 感应电势。由于 MHD 发电不用汽输发电机 进行热 —— 机 —— 电的转换,所以它同太 阳电池、热电子发电一样,同属于直接转 换为电能的方式之一、效率较高。太阳风 发电就属于磁流体发电。

6 3 、太阳风发电具体设想及功率计算 假定太阳风入射速度 与 垂直,则无外电 路时,动生电场与稳恒电场平衡,忽略电机附近 的电位变化,则可近似认为开路电压 V 与 ε 相等, 即 假定太阳风入射速度 与 垂直,则无外电 路时,动生电场与稳恒电场平衡,忽略电机附近 的电位变化,则可近似认为开路电压 V 与 ε 相等, 即 (h 为上下两极板间的距离 ) (h 为上下两极板间的距离 )

7 下面是我设计的太阳风发电装置: 此装置要放在地磁场之外,否则地磁场对太阳风粒子产生磁镜 效应,会大大减小装置的发电功率

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9 当内外电路连通时,电路中就有电流,即有电 功率输出。此时端电压 V 因内阻而下降,令负载 参数为 к ,则 当内外电路连通时,电路中就有电流,即有电 功率输出。此时端电压 V 因内阻而下降,令负载 参数为 к ,则 к=V 0 /V =E/uB ,即 к 为外负荷压降与感应电 动势之比. к=V 0 /V =E/uB ,即 к 为外负荷压降与感应电 动势之比. 电流密度 j=σE 总 =σ(uB-E) 电流密度 j=σE 总 =σ(uB-E) 等离子体的电导率为 等离子体的电导率为 其中, 为电子连续两次与中性粒子碰撞的时 间间隔。 其中, 为电子连续两次与中性粒子碰撞的时 间间隔。

10 由于, 但 与 方向不同,所以将 σ 定为一个 张量,考虑到霍耳效应,则: 由于, 但 与 方向不同,所以将 σ 定为一个 张量,考虑到霍耳效应,则: 为垂直电导率, 为平行电导率, 为霍尔 电导率,他们与 σ 的关系近似为: 为垂直电导率, 为平行电导率, 为霍尔 电导率,他们与 σ 的关系近似为:

11 ω e 为电子回旋频率,它与磁感应强度 B 的关系 为 ω e =eB/mc, 为电子与粒子的碰撞频率。数 值上 。 ω e 为电子回旋频率,它与磁感应强度 B 的关系 为 ω e =eB/mc, 为电子与粒子的碰撞频率。数 值上 。

12 则该发电机的功率密度 则该发电机的功率密度 к 的值在 0--1 之间,当 к=0.5 时, к(1-к )取最大值, 但为了提高效率且兼顾发电功率, к 一般取 之间。代入相关数据计算如下: к 的值在 0--1 之间,当 к=0.5 时, к(1-к )取最大值, 但为了提高效率且兼顾发电功率, к 一般取 之间。代入相关数据计算如下:

13 回旋频率 由于宇宙间的微波背景辐射,温度为 2--3K ,所 以可以采用超导磁体, B 可达到 3--5T ,这里取 B=3T 。 由于宇宙间的微波背景辐射,温度为 2--3K ,所 以可以采用超导磁体, B 可达到 3--5T ,这里取 B=3T 。 m e =9.11E -31kg, m e =9.11E -31kg, e=1.6E -19C, e=1.6E -19C, c=3.0E 8m·s -1 c=3.0E 8m·s -1

14 =2.46E -16 s -1 =2.46E -16 s -1 电子 1AU 处平均温度 T = 1.5E 5K 。电子与 质子碰撞,由于电子半径可以忽略,所以 不用乘 。质子半径取 r H =10 - 15 m 数量级。 电子 1AU 处平均温度 T = 1.5E 5K 。电子与 质子碰撞,由于电子半径可以忽略,所以 不用乘 。质子半径取 r H =10 - 15 m 数量级。 玻耳兹曼常数 k = 1.38E -23J·K -1 , 玻耳兹曼常数 k = 1.38E -23J·K -1 , 电子质量 m e =9.11E -31kg 电子质量 m e =9.11E -31kg n 为载流子密度,这里是电子密度, n 为载流子密度,这里是电子密度, n=5--10 个 ·cm -3 ,计算时 n=7.5E 6 。 n=5--10 个 ·cm -3 ,计算时 n=7.5E 6 。

15 8.57E14 S · m E14 S · m -1 = 1.68E - 23 S · m -1 = 1.68E - 23 S · m -1 同理可以算出质子 = 2.11E - 21 同理可以算出质子 = 2.11E - 21 (质子质量 m H =1.67E-27kg (质子质量 m H =1.67E-27kg 质子温度 T = 4 E 4 K ) 质子温度 T = 4 E 4 K )

16 两者电导率相加: = 1.68E - 23 + 2.11E - 21 = 1.68E - 23 + 2.11E - 21 = 2.13E - 21 S·m -1 = 2.13E - 21 S·m -1

17 功率密度 功率密度 = 9.32E-10W·m -3 = 9.32E-10W·m -3 这里采用超导磁体,取 B=3T, 。 这里采用超导磁体,取 B=3T, 。 к=0.6 , u=450000m/s 。 к=0.6 , u=450000m/s 。

18 计算结果很小,让我很失望,其主要原因是 太阳风的垂直电导率太小,也就是地球附 近载流子密度太小。但这是地球附近的载 流子密度算出来的,由于载流子密度与到 太阳的距离的平方近似成反比,所以若将 此装置移到太阳附近可能会大有改观。 计算结果很小,让我很失望,其主要原因是 太阳风的垂直电导率太小,也就是地球附 近载流子密度太小。但这是地球附近的载 流子密度算出来的,由于载流子密度与到 太阳的距离的平方近似成反比,所以若将 此装置移到太阳附近可能会大有改观。

19 太阳半径约为 7.0 E5 km, 地日平均距离为 太阳半径约为 7.0 E5 km, 地日平均距离为 1.5 E8 km, 约为太阳半径的 215 倍,则发电的功率 密度大约为原来的 倍,即 1.5 E8 km, 约为太阳半径的 215 倍,则发电的功率 密度大约为原来的 倍,即 P 4.28E - 5W·m -3 P 4.28E - 5W·m -3 功率密度虽然还有些小,但这样已有可能用很 大体积的磁流通道实现大功率的太阳风发电, 前 景可观! 功率密度虽然还有些小,但这样已有可能用很 大体积的磁流通道实现大功率的太阳风发电, 前 景可观!

20 本文只是我的一个大胆设想,由于我 水平有限,计算中可能还有一些谬误,希 望老师同学们指正。 本文只是我的一个大胆设想,由于我 水平有限,计算中可能还有一些谬误,希 望老师同学们指正。 这次我的计算中用了许多简化,结果 只是一个近似值。在宇宙中还存在许多未 知因素,要实现太阳风发电还有很长的路 要走,还有许多理论的和实际问题要解决。 对人类来说,宇宙中还有许多未开垦的领 域,还有许多人们未加以利用的资源。但 我相信,等人类科技发展到一定程度,不 仅会实现太阳风发电,还能够从宇宙中更 广泛的利用资源以解决地球资源紧缺问题, 造福人类。 这次我的计算中用了许多简化,结果 只是一个近似值。在宇宙中还存在许多未 知因素,要实现太阳风发电还有很长的路 要走,还有许多理论的和实际问题要解决。 对人类来说,宇宙中还有许多未开垦的领 域,还有许多人们未加以利用的资源。但 我相信,等人类科技发展到一定程度,不 仅会实现太阳风发电,还能够从宇宙中更 广泛的利用资源以解决地球资源紧缺问题, 造福人类。

21 参考文献: 《电磁学》 张玉民 戚伯云 《电磁学专题研究》 陈秉乾等 《电动力学(第二版)》 蔡圣善等 《宇宙磁流体力学》 胡文瑞 《磁流体发电若干问题》 J· 雷德尔(西德) 《太阳风》 《磁流体发电》 《 Ulysses 观测的太阳风结构的三维 MHD 模拟》 《太阳活动与太阳风》


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