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發(fā)表時間:2011-5-15 12:00:03 IP:58.20.139.61 |
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主題:磁性材料與技術在現(xiàn)代能源中的應用 |
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磁性材料與技術在現(xiàn)代能源中的應用
1 引言
能源是人類社會發(fā)展的物展基礎，沒有能源人類是無法生存的。所謂能源，就是人類取得能量的來源，它分為1次能源——經開采或收集后未經任何改變或轉換的能源，如原煤、原油、河流的水等；2次能源——經過加工轉換后獲得的1次能源，如油料、電力、沼氣、核能等；終端能源——1次、2次能源經過輸送、儲存和分配，供給用戶使用的能源，如用于炊事、照明、運輸?shù)臒崮芎碗娔艿取?
現(xiàn)在，能源危機是1個世界性的問題。由于目前人類的90％以上工業(yè)性能源是來自煤、石油、天然氣等天然資源，它們是用之有竭的。所以節(jié)約能源、開發(fā)新能源就顯得十分重要，磁性技術在其中擔當著重要的角色，也是確保人類可持續(xù)發(fā)展的有效措施之一。
2 磁性技術在節(jié)約能源方面的應用
2.1 節(jié)能的永磁材料
降低現(xiàn)有磁性材料的損耗，研發(fā)更低損耗的新材料，便可以在使用磁性材料的各種電機和電器中節(jié)約能源。例如，用永磁體代替電流在空間形成1個靜磁場（如永磁電機中的定子磁場或轉子磁場，揚聲器和儀器儀表中的氣隙磁場等），這樣，不但節(jié)省了電能，降低了溫度，而且省去1部分電源及控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。利用沒有勵磁線圈的鐵芯，不發(fā)熱的稀土永磁電機來代替常用電動機，可縮小體積，減輕重量，提高效率。如在汽車中用永磁電機替代傳統(tǒng)的電機，可使體積和重量減小40％～70％，效率提高50％以上，并可節(jié)省銅材和電力。將電氣設備中大量使用的電磁開關、電磁閥的電磁鐵換成永磁體，可節(jié)電90％以上。
在人類活動中，大量的能源消耗在克服摩擦力的做功上。利用永磁體之間的排斥力和吸引力，做成各種磁懸浮系統(tǒng)，如果再將系統(tǒng)中的空氣抽出，則摩擦力幾乎按近于零。例如，利用磁懸浮原理制成新型磁軸承，其能源可降低90％以上，轉速可達每分鐘幾十萬轉。又如，應用磁耦合的齒輪傳動機構，可以做到不嚙而合，隔而不斷，從而大量節(jié)約能源。再如，有1種在100大氣壓高壓室內工作的機構，僅用以克服從動軸與高壓室壁間所設置的軸封摩擦即要消耗25kW的功率，如應用磁耦合減速器，用1kW電動機便可操縱高壓室內的機構工作。同時，磁性軸承和磁性傳動器均無需直接接觸，不必潤滑，沒有污染。
用永磁體在空間建立1個磁場，除了在制作該永磁體時消耗一定能源外，長期使用過程中不再另外消耗能源，顯然，利用永磁體能夠取得節(jié)約資源、節(jié)省能源的顯著效果。
2.2 奇特的非晶態(tài)磁性合金
非晶態(tài)磁性合金就是磁性玻璃。這種非晶態(tài)合金材料是將熔融的金屬用每秒近100萬℃的超急冷方法直接噴在高速旋轉的風輪上，使熔化的液態(tài)合金立即凝固成薄帶，來不及結晶而形成非晶態(tài)。
非晶態(tài)合金具有鐵芯損耗小、電阻率高、頻率特性好、磁感應強度高、抗腐蝕性強等特點。在漏電保護器、電感濾波器、電力配電變壓器和開關電源等方面已獲得廣泛應用。由于非晶態(tài)材料的厚度只有0.03mm，所以鐵芯的占空系數(shù)較小，約在0.4～0.7之間，其鐵芯損耗也僅為硅鋼片的1/3，用作變壓器鐵芯，不但具有優(yōu)良的高頻電磁性能，而且與常規(guī)產品相比，體積可縮小30％，總能量損耗減少40％～60％。據資料顯示，由于鐵芯發(fā)熱，日本每年要損耗60億度電，相當于2000億日元的價值。據估計，我國變壓器的總損耗占系統(tǒng)發(fā)電量的10％左右，損耗每降低1％，每年可節(jié)約上百億度電，其節(jié)能效果十分顯著。
2.3 磁性節(jié)能器件
磁水器在鍋爐和熱交換系統(tǒng)中的使用，不但提高了熱效應，節(jié)約了能源，而且還減少了管道和設備的除垢工作。根據美國商業(yè)部和國家標準局的資料，鍋爐的水垢厚度為0.4mm～9.6mm，平均效率損失為4％～48％，每千升（或每千加侖）燃油浪費40升～480升（或加侖）。按照美國的運行情況，某些鍋爐在進行酸洗除垢之前，其積垢厚度有的可達8mm左右，其燃油的浪費相當嚴重。其它國家和地區(qū)，因水質和維護水平不同，嚴重者會造成更大損失。如果采用磁力除垢器或磁水器均可節(jié)約能源并提高維護保養(yǎng)水平。我國某油田用磁水器處理石油，使石油除蠟降粘，熱洗周期由12天增加到140天，單井年節(jié)電達1.4萬度，年節(jié)約天然氣1.8萬m3，年增產原油180噸，多獲利2萬元。
將磁化節(jié)油減煙器，燃油增能器或磁力強化節(jié)能器用于以碳氫化合物（油、氣）為燃料的燃燒設備中，其節(jié)能效果明顯。例如煉鋼爐、鍋爐、電站、各種發(fā)動機等設備均可裝設此類節(jié)能器，令其燃料在使用之前進行磁化，使油、氣分子鍵斷裂霧化，使其充分燃燒，提高燃燒效率，從而省油、省氣5％～15％。由于燃燒室溫度升高，發(fā)動機（引擎）輸出增加，可防止積垢，可使CO、NO等有害氣體的排放降低25％～65％，同時還可使廢氣中的含塵量降低25％～40％。在開采或煉制石油的輸油管道中，采用此類設置，也可取得有利于油氣輸送、除蠟降粘的效果。
用于石油鉆井7km深處打撈作業(yè)的稀土鈷永磁強磁力打撈器，可將掉落井里的鉆頭、齒輪、軸承、工具、碎片及其它雜物打撈干凈，確保鉆井速度，并保護油井不致報廢。我國研制成功的60kVA永磁副勵磁機，選用釤鐠鈷稀土永磁體裝在切面磁路的轉子上，電機功率等級是原型機的2.45倍，軸長縮短了1半，稀土永磁的用量僅為鋁鎳鈷副勵磁的47％，成本只有電磁副磁機系統(tǒng)總成本的1/3左右。
2.4 綠色節(jié)能磁冰箱
利用“絕熱去磁”（給1種磁性材料施加磁場時發(fā)熱，去掉磁場時冷卻）全新原理工作的磁冰箱，其致冷工作效率為常規(guī)氣體致冷機的2倍～4倍，能耗低，可節(jié)電50％。由于使用固體工質，故而體積小、重量輕，又無壓縮機，很少有零件磨損和擠壓現(xiàn)象。即使有運動部件，其轉速也十分緩慢，故而省電、便于維護、壽命長、無振動噪音，沒有氟里昂對環(huán)境的污染，可保護臭氧層，因此被稱為綠色冰箱。
近來美國埃姆茲實驗室制成1臺以釓顆粒為致冷材料的樣機，其循環(huán)系統(tǒng)較復雜，要求的工作磁場較高（5T），這樣高的磁場只有超導磁體才能達到。我國包頭稀土研究院與包頭鋼鐵學院共同承擔的“稀土磁致冷技術開發(fā)”課題，已制成1種采用釹鐵硼永磁磁場裝置，其強度為1.3T～2.0T，使室溫磁致冷技術向實用化方向邁進一大步。
2.5 其它節(jié)能實例
電子鎮(zhèn)流器只需傳統(tǒng)式鎮(zhèn)流器的70％的電功率便能令螢光燈發(fā)出同樣的光度。由于使用較小的磁性電感器，不需要啟動器，可節(jié)能30％，具有快速、重量輕、噪音低的特點，效率高達65％～85％。小損耗的開關電源必須使用的變壓器，扼流圈，雜波濾波器、飽和電抗器等4種磁性元件，全部可由磁性材料制造。
不用水和色漿的磁性染色工藝就是利用磁力和分散染料升華作用的1種連續(xù)染色法，可用于染素色和圖案印花。它無需使用水、溶劑和印花紙，且能耗大大減小。
沒有火患的安全灶——電磁爐，是1種新型“冷加熱”電氣灶具。這是通過高頻交變磁場與鐵鍋（或不銹鋼鍋）相互作用來加熱的，其熱效率高，節(jié)省電力。同樣是1.2kW，一般加熱器的熱效率只有56％，而電磁爐的熱效率卻達到83％，燒沸同量水的時間可縮短1/3。溫度可調，安全衛(wèi)生，與微波爐相比，還具有價格低、宜炒菜特別是做中餐的特點，目前在我國已經實用化、商品化。
利用磁場制作的水泥，具有松散，不結塊的特點。由于磁場的作用使水泥旋轉，只要在水泥中添加1種可與水泥吸附在一起的鐵磁材料，使之具有韌性和彈性。因無轉動部件，磨損極小，耗能少。磁性水泥混凝土的形狀和大小不受限制，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；在危險地區(qū)可作成磁性地段，便于檢測；在路面上作磁性標記以引導盲人步行，使汽車通行無阻。
3 磁性技術與新能源開發(fā)
3.1 磁流體發(fā)電
磁流體發(fā)電就是“等離子體發(fā)電”，是將熱能轉換為電能的1種方式，其基本原理仍是導體切割磁力線感應而產生電動勢。不同的是磁流體發(fā)電中的導電流體代替了普通發(fā)電機中的金屬導體。即當高溫高速氣流通過強磁場時，氣流由于高溫電離變成等離子導電流體，并切割磁力線而產生感應電勢和電能。目前，世界上主要研究燃燒礦物燃料的開環(huán)磁流體發(fā)電，燃煤磁流體聯(lián)合循環(huán)等高效率、低污染、大功率發(fā)電的高新技術。其發(fā)電效率比傳統(tǒng)的水力、火力、核能發(fā)電提高50％～60％。1個百萬kW的磁流體發(fā)電廠，年節(jié)煤可達100萬噸，造價僅為火力發(fā)電廠的1/4。
3.2 磁約束與受控核聚變
目前，原子能發(fā)電是利用重原子核的裂變反應釋放的能量。據估計，地球上的裂變材料藏量只夠用幾千年，如果改用輕原子核（如氘）聚變反應釋放能量發(fā)電，則地球上的氘可用幾千億年。要實現(xiàn)可控聚變反應則需要上億度（>108K）的高溫和一定密度的重氫等離子體維持一定時間。目前，1種有效方法就是利用一定形狀和強度的強磁場——磁約束來實現(xiàn)。最近，美國科學家在探討核聚變研究新方向時，由普拉格等人提出的4種約束等離子體新方法中最重要的就是磁約束技術。
德國力求在新能源探索中占據國際領先地位，將建造世界最大仿星器受控核聚變裝置。該裝置的關鍵部件是產生磁場的超導線圈和隔熱箱，二者目前已研制成功并通過試驗。德國科學家采用鈮鈦合金導線作為超導線圈材料，由200根超導線材制電纜，共外用強化鋁合金冷凝管中的液態(tài)氮冷卻至4K，整個裝置所使用的超導線長度達60km。加熱與約束等離子體是受控核聚變研究的兩大課題，其中約束主要有磁約束和慣性約束2種途徑。磁約束曾使用過多種裝置，至今前途較明朗的閉式環(huán)形裝置有托卡馬克和仿星器。托卡馬克主要利用電磁感應產生的環(huán)電流等來約束等離子體，而仿星器對等離子體的約束主要借助外導體的電流等產生的強磁場。
3.3 磁性材料與風能技術
風能是太陽輻射造成地球各部分受熱不均勻，引起空氣運動所產生的能量。地球上近地層風能總儲量約為1.3 × 1012kW，估計我國風能總儲量達1.6×109kW，在世界上排列第三，可開發(fā)利用的約為1/10。風能量是利用風力推動風力機而產生的。利用風力可以發(fā)電、提水、助航、致冷和致熱等。風力機是將風能轉化為其它形式能量（如電能、機械能、熱能等）的旋轉機械。用永磁材料制成的大輸出旋轉機械在風力機中獲得了應用，例如在轉子外側而定子在內側的外轉子發(fā)電機中，永磁體粘結在圓筒形轉子輪的內圓周面，因此轉子輪本身可防止永磁體的飛脫，因而磁通不會降低。
風能是1種干凈的綠色可再生能源，在技術上已日漸成熟，在價格上逐步具有競爭力，如美國目前的風能電價格僅為每度9美分。
4 超導磁體的功能
把某種金屬物質冷至特定溫度以下，其電阻為零的現(xiàn)象稱為超導性。這種超導性將使電力傳輸、電機及其各種電力電子設備完全不消耗能量，可以制成超強的磁鐵用于巨大的粒子加速器。如何將其實用化，這是科技人員開發(fā)的重點。一旦金屬線圈在超導狀態(tài)下被接通電流以后，電流就會持久地流動，并會產生比普通永久磁鐵大十幾倍的磁場。這一超導電性與磁性若能共存而不互相破壞，則會加速超導技術的實際應用。
4.1 磁懸浮列車
這種列車是利用直流電機原理，在磁力作用下使車輛浮起并沿著特制的導軌運行，是介于常規(guī)鐵路與航空之間的1種交通運輸工具。它具有速度高、振動小、噪音低、無污染、安全舒適、可靠、占地面積小、運輸費用低等特點，成為繼“海陸空”之后的“第四大交通運輸工具”。磁懸浮列車的原理已提出20多年，世界各發(fā)達國家競相開發(fā)，德、日、英等位居前列，日本取得的最高速度達517km/h。目前速度達350km/h的磁懸浮列車已在發(fā)達國家投入商業(yè)運營。
磁懸浮列車的核心是產業(yè)巨大磁力的永磁體（或電磁體）。這種永磁體可以是常導和超導磁鐵，而超導磁體的制造費用相當高，采用常導磁體代替超導磁體一直是人們努力的方向。將超導電性與磁性經“優(yōu)化組合”而成的新材料——超導磁鐵，是演繹本世紀交通工具革命的前題。最近美國1位科學家宣布，已研究出1種由鐵、硼和釹合金制成的永磁體，它可以不用借助外力就能讓沉重的機車懸浮起來，這一成果有望使磁懸浮列車很快進入實用階段。我國第一臺載人常導磁懸浮車于1997年在西南交通大學試驗運行。據最新報道，我國自行設計建造的第一條中低速磁懸浮列車試驗線在國防科技大學建成通車，并通過驗收評審，已無故障運行2000km。四川磁懸浮列車采用高溫超導技術建造，有望在2008年落戶北京奧運賽場。據成都最新城市規(guī)劃透露，中美雙方共同合作的磁懸浮飛機項目，預計全球第一架可容納100余名乘客的磁懸浮飛機將于2004年起飛。
4.2 超導磁分離技術
磁分離是根據各種物質磁性的差別來進行分選的1種方法。由于具有不同磁性的顆粒在磁分離裝置分選空間中，受到磁力、機械力（重力、離心力、摩擦力和水、氣流動力等）不同的作用，會沿著不同路徑運動，因此可以分別接取，從而得到磁性和非磁性產品。超導磁分離就是用超導磁體取代磁分離裝置中的常規(guī)磁體�，F(xiàn)已實用的鈮鈦和鈮三錫超導線材，其臨界電流密度高達104A/cm2～105A/cm2，比銅線材的最高允許電流密度高幾百倍至幾千倍。所以超導磁體可在數(shù)米的工作口徑內產生幾萬Gs以上的磁場強度。另外，超導磁體通電勵磁后，如經超導開關閉合，再切斷供電電路，可構成閉合的超導持續(xù)電流回路，長期運行僅消耗維持低溫致冷所需的很小功率，是常規(guī)磁體不可比擬的。據估計，超導磁體與常規(guī)磁體能耗之比為1∶25，處理量之比大于10，尺寸可減小1/3～1/2。超導磁分離可用來分離黑色金屬、有色金屬、稀有金屬和其它工業(yè)原料。過去，在工廠，通常是用水冷式的銅線圈電磁鐵分離器，耗用大量電力。現(xiàn)在，磁場為5T的超導磁鐵所消耗的電能只是原來2T傳統(tǒng)磁鐵的5％左右。
4.3 超導磁力推進船
超導電磁推進系統(tǒng)因不帶推進器而沒有噪聲和振動，無需燃料，結構簡單，速度達150km/h以上，其推進力是按照弗萊明左手定則產生的。安裝在靠近船底部的超導磁體在海水中產生磁場。當電流在垂直于磁場的方向上流過時，便會在與電流和磁場相垂直的方向下產生1種動力，把大量的海水向前或向后推進，從而把船體推向前進。由于這種超導電磁推進系統(tǒng)對海水的作用面積大而推動力大，使船舶航速很高。1萬噸輪船在航速達160km/h時倒車和變速都很方便，控制性能良好，特別適用于各種高速船如半潛式雙體船、潛艇、可潛式油船、海洋考察船和破冰船等。
4.4 制造強磁場
凝聚態(tài)物理研究需要強磁場，而強磁場技術在科學技術中的應用反映出1個國家的科技發(fā)展水平。強磁場分為穩(wěn)態(tài)磁場、超導磁場和脈沖磁場3大類。粒子加速器靠強磁場加速原子、粒子，并使這些粒子沿著環(huán)行軌道行進。磁場強度增加1倍，就可使加速器的規(guī)格尺寸縮小一半。目前，超導磁場已達到21T的程度。
5 結束語
能源是人類社會發(fā)展的物質基礎，現(xiàn)代化建設的先驅，是世界各國十分重視的領域之一。磁性技術在解決當前能源危機中扮演著重要的角色，尤其在節(jié)約能源、開發(fā)新能源方面，其效果十分顯著，應當加以推廣。
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