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1、太阳风发电,祁磊（生命科学院）指导老师：张璞扬,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,“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,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10-15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1000-2000km/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
2、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。,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。,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与相
3、等，即(h为上下两极板间的距离),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,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，则=V0/V=E/uB，即为外负荷压降与感应电动势之比.电流密度 j=E总=(uB-E)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。,由于,但 与 方向不同，所以将定为一个张量，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，他们与的关系近似为：,e 为电子回旋频率，它与磁感应强度B的关系为e=eB/mc,为电子与粒子的碰
4、撞频率。数值上。,则该发电机的功率密度 的值在0-1之间，当=0.5时，(1-）取最大值，但为了提高效率且兼顾发电功率，一般取0.6-0.8之间。代入相关数据计算如下：,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。me=9.11E-31kg,e=1.6E-19C,c=3.0E 8ms-1,=2.46E-16 s-1 电子1AU处平均温度T1.5E 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rH=1015m数量级。玻耳兹曼常数k1.38E-23JK-1，电子质量 me=9.11E-31kg n为载流子密度，
5、这里是电子密度，n=5-10个cm-3，计算时n=7.5E 6。,8.57E14 Sm-1 1.68E23 Sm-1 同理可以算出质子 2.11E21（质子质量mH=1.67E-27kg 质子温度T4 E 4 K）,两者电导率相加：1.68E23 2.11E21 2.13E21 Sm-1,功率密度 9.32E-10Wm-3 这里采用超导磁体，取B=3T,。=0.6，u=450000m/s。,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
6、大有改观。,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2152倍，即 P 4.28E5Wm-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！,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。,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,
