電氣工程概論ppt

1、電氣工程概論,河北科技大學電氣學院朱維璐,河北科技大學電氣工程系,四、電氣設備診斷和在線監(jiān)測,診斷過程包括： 1、通過傳感器及必要的手段，檢測能表征設備狀態(tài)的各種特征，得到初始模式。 2、對原始信號進行分析處理，抑制干擾，取出能敏感而有效的反應設備運行狀態(tài)的特征參數，形成待檢模式。 3、將待檢模式與樣本模式（理論知識、運行經驗、實驗研究）對照，識別故障模式。 4、根據多種特征識別的結果，綜合分析，判斷設備狀態(tài)，為下一步設

2、備維修決策提供依據。,根據樣板和模式不同診斷方式可分為：,闋（que）值診斷、時域波形診斷、頻率特性診斷和指紋診斷。目前診斷還可以用人工神經網絡、模糊數學、專家系統(tǒng)等現代計算機控制技術進行。5.2.4電力系統(tǒng)過電壓及其防護 分類,常用的防護措施有：裝避雷針，避雷器，調整線路參數，裝設并聯電抗器，靜止無功補償器，在操作斷路器,觸頭上裝設并聯電阻，采用快速繼電保護等。2.2.5 防雷及防雷設備 1、避雷針（線） 安裝在被

3、保護建筑物或設備的上方，使之免受直接雷擊，起作用是將雷電吸引到避雷針（線）上并將其引入大地。保護范圍為一錐形，其面積的大小與高度有關。,2、避雷器,由于各種原因，如繞擊、反擊或未完全受避雷針保護時，系統(tǒng)出現的過電壓可能沿線路傳到變電站內，危機變電站內的設備，為保證設備安全和不會跳閘停電，此時需要避雷器進行保護。 避雷器有管型和閥型兩種,·,·,3、輸電線路、發(fā)電廠、變電所的防雷保護,發(fā)電廠、變

4、電站是多條線路的交匯點和電力系統(tǒng)的樞紐，輸電線路由于面積大分布面廣，易受雷電襲擊。 在確定防雷措施時，應根據電壓等級、負荷性質、系統(tǒng)運行方式、雷電活動的強弱，并經技術和經濟方面的比較來確定。,§2.3 高電壓新技術及其應用,2.3.1 等離子技術及其應用 等離子體是由正負離子和電子，以及一些原子、分子組成的集合體?？梢允枪虘B(tài)、液體或氣態(tài)，宏觀上一般呈中性。 高溫等離子體的溫度為102～104

5、eV（電子伏1eV =1.1×104K），主要用于核聚變發(fā)電，典型的聚變反應為氕（pie）-氘（dao）反應和氘-氚（chuan）反應。 通常把溫度在幾十萬攝氏度以下的等離子體稱為低溫等離子體，由于低溫等離子體中含有,大量的高能電子、離子、受激原子和分子以及自由基，它易于參與及促進各種化學反應，因此它在微電,子制造，材料改性，冶金，環(huán)保等方面得到了大量的應用。如下圖。2.3.2 激光發(fā)電 激光是激光振

6、蕩器發(fā)出的強度大、方向集中的光束，當激光作用于低壓氣體時，氣體原子連續(xù)吸收幾個光子使電子獲得超過獲得電離能的能量時而成為自由電子，并引發(fā)擊穿。在高壓作用下，形成電子流而發(fā)電。,·,·,§2.3.3 液電效應及其應用,在封閉的液體容器中進行沖擊放電，會引起容器內壓力的急劇變化，這種現象稱為液電效應。液電效應的瞬時沖擊壓強可達600～1500Pa，有巨大實際應用價值。 液電效應的應用1

7、、破碎：如導體材料，花崗石、冶金渣等2、成型和鍛壓：3、機械加工：如2min內完成100mm粒徑寶石的鉆孔，切割石英棒、磁管等。,4、探礦：如海中探石油,5、醫(yī)療：如用體外沖擊波碎石機粉碎腎結石§2.3.4 靜電技術及其應用1、靜電分選 利用靜電場對導電材料或介質材料的靜電力選擇性的分離不同材料的技術，如糧食凈化、茶葉挑選、冶煉選礦等。 在進入分選區(qū)（靜電場）之前，應首先使被分揀的材料帶電，帶電情況分

8、以下三種：1）兩種材料帶相反符號的電荷，進入分揀區(qū)后，所受電場力的方向相反而被分離。,2）兩種材料中只有一種顯著帶電，或兩種材料粒子所受電場力大小不同，當電場力的大小足夠時而被分離。,3）不同材料的粒子進入分揀區(qū)時被極化但偶極距顯著不同而被分離。2、靜電噴涂 靜電噴涂時利用靜電吸附作用，將涂料或涂液敷到目標物體上的技術。 直徑約5～30μm的聚合物涂料粒子，因電暈電產生的電荷作用而帶電，在壓縮空氣和靜電

9、力的作下，飛向接地的工件。,應用：汽車、機械、家電等。,3、靜電植絨 利用靜電原理生產絨毛制品的技術可用來生產纖維制品（地毯、坐墊、人造皮毛）、塑料制品（裝飾布）和金屬制品（裝飾材料）。 4、靜電紡紗 利用靜電場對纖維的作用使纖維得到伸直、排列和凝聚，是一種新型紡紗技術。 5、靜電制版 利用靜電復印原理，使具有光導電性能的紙板成靜電照相版，與傳統(tǒng)的制版相比速度快,工序少、成本低、操作簡便、節(jié)約白銀。,

10、2.3.5 在環(huán)保領域的應用1、靜電除塵 利用靜電場的作用使煙氣中的塵粒帶電，并將其從煙氣中分離、去除的技術。2、靜電噴霧 利用靜電吸附作用將農藥噴灑到防治對象上。農藥的噴灑可使用靜電噴霧機或靜電噴粉機，將數百到數千千伏的直流高壓接到噴頭，藥液或藥粉通過噴頭時顆粒帶電，而防治對象則因,靜電感應而帶反號的電荷，這樣，藥液或藥粉,顆粒在靜電場作用下飛向防治對象。3、煙氣脫硫 我國一次能源以煤為主，煤直接燃

11、燒時產生大量的SO2和NOx等污染物。脈沖電暈放電等離子化學（PPCP）方法是20世紀70年代發(fā)展起來的一門新技術，它具有聯合脫硫脫硝、效率高、可回收資源、無二次污染、可與靜電除塵器聯合使用。,§2.3.6在材料冶金及加工中的應用,電弧等離子體冶煉技術與電爐冶煉技術相比，其優(yōu)點為：電能轉換效率高，能提供溫度更高、更干凈的、更集中的熱量，冶金過程更快，反應更徹底。§ 2.3.7 在照明技術中的應用光源可

12、分為：1、熱輻射光源，如白熾燈2、氣體放電光源，包括：,1）輝光放電：如霓虹燈、指示燈2）弧光放電：如高壓汞燈、鈉燈、金屬鹵化物燈,用途：攝影、放映、曬圖、照相復印、光刻工藝、化學合成、熒光顯微鏡、熒光分析、紫外探傷、殺菌消毒、醫(yī)療、生物栽培、固體激光等。,,論文1題目：論述高電壓新技術對國民經濟發(fā)展的推動作用格式要求： 題目（三號） 班級 學號 姓名 （小四號）

13、 摘要：（100—200字，五號） 關鍵詞（3-5個，五號） 正文：（不低于3000字，小四號），見附件 時間：一周,第三章 電工新技術,§3.1 電工新技術的發(fā)展趨勢,§3.2 超導電工技術,21世紀上半葉，無論是聚變電站、磁流體發(fā)電、還是磁懸浮列車、磁流體推進船的商業(yè)化，均促進了超導電工的發(fā)展，相信超導輸電、超導限流器、超導變壓器、超導發(fā)電機與電動機也會得到越來越

14、多的應用。 我國在超導方面建立了自己的研發(fā)體系，很多方面都接近或達到世界先進水平，這為我國的超導高技術產業(yè)大下了較好的基礎。,·,·,液氦溫區(qū)高溫超導材料---Bi系帶材,液氦溫區(qū)低溫超導材料---NbTi導線,3.2.1 超導現象,1911年荷蘭科學家昂納斯在低溫下測水銀的電阻時發(fā)現：當溫度降到-269℃附近時，水銀的電阻突然消失，電阻的消失叫做零電阻性。 超導態(tài)的兩個基本性質：1）零電阻

15、效應。2）完全抗磁性（邁斯納效應）。 在磁場中的一個超導體只要處于超導態(tài)，其內部產生的磁化強度與外磁場相同，即磁力線完全被排斥在超導體外面。利用這一特性可以實現磁懸浮，如下圖：,·,,3.2.2 超導技術的應用,目前正在研究和開發(fā)的超高溫超導材料應用項目有超導電機，超導儲能，超導懸浮軸承，超導懸浮列車，超導變壓器等。 我國在電力領域已開發(fā)出或正在研制開發(fā)超導裝置的實用化樣機，如高溫超導輸電電纜，

16、高溫超導變壓器，高溫超導限流器，超導儲能裝置等。,一、超導電機,超導電機的研究對象主要是超導同步發(fā)電機。早在20世紀60年代美國研制出了第一臺8kw超導發(fā)電機，現已研制出5000kw的超導發(fā)電機。前蘇聯曾制造出一臺300Mw超導同步發(fā)電機。 日本先后研制出了6250kw，30Mw，50Mw的超導發(fā)電機，最近又將容量提高到了83Mw。如圖 我國上海1988年研制出了400kw—800kw的超導同步發(fā)電機。,·,,

17、與常規(guī)發(fā)電機相比優(yōu)點為：,1）效率高（可提高0.5～0.8%）2）重量輕，體積小（可減小1/3～1/2）3）單機容量大（可達1000kw）4）穩(wěn)定性好 不足之處：1）設計方法不同，必須有一套新的方法2）必須安裝在低溫容器內，就需解決真空絕熱技術，液氦輸送技術，冷卻技術等。3）經濟性。有人認為只有當容量超過300Mw以上,時，才有經濟優(yōu)越性。,高溫超導的出現拓寬了超導技術的應用范圍，因為其費用比制冷費用低得多，這方面的

18、應用主要體現在超導電動機上。因對大型電機來講效率可由97%提高到98.3%，節(jié)能效果明顯。 美國1993年研制出了93kw高溫超導同步電動機，最近又研制出了艦船推進超導電動機，如下兩圖所示。,·,,·,·,我國也研制成功了300Mw船用超導電動機，如圖,·,ABB研制出以超導體電動機為動力的吊艙式推進器，如圖,·,二、超導變壓器,優(yōu)點在于：重量輕，體積小，效率高，故障時短路電

19、流比普通的小。分析表明：超導變壓器的重量僅為普通的40%或更小，當容量超過300kw時，其優(yōu)越性更加明顯。1996年日本研制出500kw高溫超導變壓器，運行在-196℃的液氮中，效率達到99.1%。其后又研制出了800kw的變壓器，溫度降到-207℃，效率為99.3%。如下圖。我國科學院研制出的26kw高溫超導變壓器如下圖,·,,專家預計，2010年超導變壓器世界的需求量將達到15億美元。,三、超導輸電

20、 隨著大城市用電量的增加，高壓架空線路受到限制，常規(guī)輸電電纜受其容量和臨界長度的限制，不能滿足用電量日益增長的要求，超導電纜顯示出了巨大的優(yōu)越性。它具有容量大、損耗低、體積小的優(yōu)點。結構如下圖所示。 超導電纜分為：1）直流超導電纜：無交流損耗，體積小。,但兩端須有整流器和逆變器，且在達到一定長（≥200km）之后，經濟上才能顯示出優(yōu)越性。,·,2） 交流超導電纜,存在交流損耗和介質損耗，輸送功率受到一

21、定的限制，但當輸送功率大于1000MW時，還是有一定的競爭力的。 1986年發(fā)現了高溫超到后，美日等國家都進行了相應的研究，如美國研制出了115m長，110kv，12.5kA的超導電纜。 我國2003年研制出了30m長，35kv，2kA的超導電纜，如圖所示。,·,·,四、超導儲能,用電低谷時利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，用電高峰時再將電磁能返還給電網。一般由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、

22、變流裝置和測控系統(tǒng)組成?？勺龀陕菪芫€圈或環(huán)形線圈。如圖。,目前美、日、法等一些發(fā)達國家，在超導儲能,方面的研究上投入了大量的人力和物力。如圖為德國研制的2MJ超導儲能設備。,五、超導磁選懸浮列車,常導磁懸浮列車的技術難題之一是懸浮列車與軌道之間的間隙不能太大，否則電機的容量和損耗極大，電機的體積也將非常大，但氣隙又不能太小，否則會給施工帶來一定的困難，也會給列車的安全性帶來挑戰(zhàn)。利用超導材料做成的磁懸浮列車就可

23、以解決這個問題。特點：1）節(jié)能： 利用超導線圈的零電阻做成同步電機的勵磁線圈，除了維持低溫所需要的能量以外，超導線圈的巨大電流一旦形成后，就不需外加電源,因此即可減小體積又可節(jié)能。,2）氣隙比普通電機的大幾十倍（如日本的超導磁懸浮列車為100mm），電機定子甚至可以做成無鐵芯的空心線圈。如下圖所示為日本超導磁懸浮列車（實際上是一臺大型磁懸浮轉子超導直線同步電機）。,·,·,還有一種完全不同的“

24、超導磁懸浮”列車，原理,與上不同，直接利用超導磁體塊與永久磁鐵之間的抗磁性產生懸浮力（圖6-4），一般方案是在車上安放低溫容器和超導塊材，地面鋪設永久磁鐵，在配備直線電機即可。優(yōu)點：簡單。但懸浮力難以根據重量的大小來控制，永久磁鐵軌道如何維護和清理等。,六、超導在電工工程領域的其他應用,如 磁流體發(fā)電設備。 磁懸浮軸承：無機械摩擦，提高旋轉速度，可用于飛機發(fā)電機轉子、大型風力發(fā)電機轉子軸承等。,§

25、;3.3聚變電工技術,當今社會消耗能源空前，每年消耗的煤炭、石油、天然氣能源高達數十億噸，按此速度計算，全世界的碳氫能源不到200年就會枯竭，因此今后最重要的能源之一就是核能。 最早被人們發(fā)現的是重元素的原子裂變時產生的能量，據此制成了原子彈，后來科學家又從太陽的熱核反應受到啟發(fā)，制造了氫彈，這就是核聚變。 將核裂變控制起來，按我們的需要進行釋放，就可以建成核裂變發(fā)電站，這一技術已經成熟。但運行時的

26、安全問題和核廢料的污染問題還沒有完全解決，且所需要的原料---釉的儲藏量也是,·,有限的，同樣將核聚變控制起來，按需要進行聚變反應所建成的發(fā)電站稱為核聚變發(fā)電站。核聚變發(fā)電站所用的原料是取之不盡的。且運行安全，且核聚變時產生的放射性物質較少，燃料用量也少，可從根本上解決人類能源、環(huán)境與生態(tài)持續(xù)發(fā)展的根本問題，所以受控核聚變發(fā)電站將是發(fā)展方向。但是控制技術遠比核裂變的控制技術復雜，目前世界上還沒有一座使用的核聚變電

27、站。 與核裂變所用的放射性元素---釉不同，核聚變所需要的元素是重氫，而地球上的重氫氘和氚使用之不盡的。,·,在天然水分子中，約7000個水分子內就含有一個重水分子，2kg重水中含有4g氘，1升水內約含0.02g氘，相當于燃燒400t煤所放出的熱量，地球表面含有13.7億立方千米海水，其中含有25萬億噸海水，它至少可供人類使用10億年。 實現受控核聚變反應的必要條件是：要把氘和氚加熱到上億

28、攝氏度的超高溫等離子體狀態(tài)，其密度要達到100萬億個/cm3，并要使能量約束時間達到1s以上，這也是核聚變反應的點火條件，此后只需補充燃,,料即可（每秒補充約1g），核聚變反應就能繼續(xù)下去。在高溫下，通過熱交換產生蒸汽，就可以推動汽輪機發(fā)電。 但無論什么樣的固體容器都不能承受這樣的超高溫，所以人們采用高強磁場把高溫等離子體“箍縮”真空容器中平緩的進行核聚變反應。人們研究較多的是一種叫做托克馬克的環(huán)形核聚變反應堆裝置如

29、所示；另一種方法是慣性約束，即用強功率驅動器（激光、電子或離子束）把燃料微粒高度壓縮加熱，實現一系列微型爆炸，然后把產生的能量取出來，驅動汽輪機發(fā)電。,,,,顯然如果能實現在室溫下的核聚變反應是最理想的。但在目前情況下還做不到。 綜上所述：與裂變反應堆主要依靠核工技術和熱工技術的結合而發(fā)展起來的歷史不同，核聚變反應的發(fā)展主要依賴于核工技術和電工新技術的結合，這是因為所需要的關鍵技術是超導技術、大體積強磁場技術、大能

30、量脈沖電源技術、輔助加熱技術、等離子體控制技術等。 1982年底，美國建成了一座為了使輸出能量等于輸入能量、以證明受控核聚變具有現實可能的大型“托克馬克”,,型核聚變實驗室反應堆，近年來美、英、俄三國正在聯合建設一座輸出功率為62萬千瓦的國際核聚變反應堆，1984年9月我國自行建成了第一座托克馬克裝置------中國環(huán)流器一號，經20年的努力，正在建設中國環(huán)流器新一號，其縱向磁場2.8T，等離子體電流320kA，等離

31、子體存在時間4秒，輔助加熱功率5MW，達到世界先進水平。 1991年11月8日，在英國南部世界最大的核聚變實驗室首次成功進行了運用氘和氚試驗的核聚變，在1s內產生了超過100萬千瓦的電能。,,,,§3.4 磁流體發(fā)電技術 磁流體是“電磁-流體動力學”的簡稱，這一技術主要是研究導電流體（如等離子體、海水等）在磁場中運動的規(guī)律。法拉第發(fā)明電磁感應定律時，切割磁力線的對象是固體導體；但他

32、很快在1832年又提出關于流體切割磁力線的電磁學問題。他根據海水切割地球磁場產生電動勢的想法，在泰晤士河的兩岸測量電位差，但因河水流速慢、測量手段水平低、磁場若等原因而失敗。 1937年哈特曼根據法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動做了試驗，并成功提出黏性不可壓縮磁流體力學的,,理論計算方法，20世紀50年代末，人們提出用高溫、高速流動的電離氣體（等流子體）通過強磁場來更高效的產生電流，從而成為現在的磁流體發(fā)電技術。

33、 高溫、高速流動的氣體通過磁場時，這些氣體在高溫下發(fā)生電離，出現自由電子，變成了能夠導電的高溫等離子氣體。根據電磁感應定律，當高溫等離子氣體高速流過強磁場時，就切割磁力線產生電流，如下圖。 普通氣體在7000℃時才能發(fā)生電離，若加少量容易電離的低電位堿金屬（鉀、鈉、銫等），在3000℃就能發(fā)生,,,,電離，加熱氣體所使用的熱源，可才用煤炭、石油、天然氣燃燒產生的熱量，也可以使用核反應提供的熱能。

34、當前世界各國發(fā)電主要是采用火力發(fā)電，熱效率很低，只有40%，浪費大量的燃料、污染環(huán)境，而磁流體發(fā)電是一種可靠性較高的新型發(fā)電技術，煤炭資源的利用率也高。所以世界各國都在研究燃煤磁流體發(fā)電，目前世界上在17個研究磁流體發(fā)電的國家中，有13個國家采用燃煤磁流體發(fā)電。包括中、印、美、法、澳、俄、波蘭等。 磁流體發(fā)電與火力發(fā)電的優(yōu)點為：,,1、綜合利用高 熱效率可從火電的30-40%提高到50-60%，啟動快，在幾秒

35、鐘內即可滿負荷運行。2、由于煤炭中的硫可以與鉀、鈉發(fā)生反應，因此減少了二氧化硫的產生對環(huán)境的影響，還可以使用劣質煤。3、因沒有旋轉的部件，噪音小，設備結構簡單，體積小。 磁流體發(fā)電自20世紀60年代問世以來，經40年的發(fā)展，已達到最高發(fā)電功率幾萬千瓦，持續(xù)運行時間數百小時的水平。有望在21世紀二三十年代實現商業(yè)化運行。,,我國與上世紀60年代初研究磁流體發(fā)電，先后在上海、北京、南京等地建成了試驗基地，根據我國煤炭資源豐富

36、的特點，主要研究燃煤磁流體發(fā)電，并將它作為“863”計劃中能源領域的兩個研究主題之一。下圖是中國科學院電工研究所研制的磁流體發(fā)電用超導磁體。,,,§3.5磁流體推進技術,3.5.1 磁流體推進船 底部有線圈通上電流就會在海水中產生磁場，同時在船底下裝上磁極，利用海水的導電特性，形成回路，使海水帶電，這樣海水在強磁場的作用下，產生電磁力，向后推動海水，在反作用力的作用下，船體向前運行。所以不用螺旋槳。,,,,,&#

37、167;3.6可再生能源發(fā)電,據預測，我國的發(fā)電總量將由現在的3.5億千瓦增加至2020年的約9億千瓦，將水電和火電設想到最大限度，還缺近1億千瓦，由于核電原料的限制總容量不會超過4千萬千瓦，從而可再生能源發(fā)電就提到了日程，可再生能源除水電外，還有風電、太陽熱、光伏、地熱、生物能等，其中風能發(fā)展最快，技術也最成熟。 1、風力發(fā)電,,風能是最重要的可再生能源，近年來，風電技術得到了很大的發(fā)展，建設投資與電能成本大幅下降，在

38、21世紀電力生產中將占一定的份額。 風力發(fā)電的單位容量投資約為核電的一半，其年利用時間也約為核電的一半。二者的發(fā)電成本相近，風電的優(yōu)勢在于：建設時間短，僅需一二年，且沒有放射性物質污染，缺點是單機容量小和不連續(xù)。預計2020年可達2000千瓦。下圖為風電與電網并網示意圖。,,,,目前更大型、性能更好的機組不斷被開發(fā)出來，如丹麥新建的幾個電風場，容量均在2MW以上，德國正在北海建設的海風電場，單機容量5MW，總容量

39、100MW以上其旋翼區(qū)直徑126m，相當于兩個足球場地，發(fā)電機塔身和發(fā)電機總重量1100t，發(fā)電機由3片旋翼組成，每片長61.5m，旋翼最高點距地面183m。 其結構和組成如下圖。,,,,,高速軸制動器,,,聯軸器,,,偏航驅動器,,,偏航軸承,,,主軸承,,,主軸承,,,變漿驅動裝置,,,變漿軸承,,,發(fā)電機,,,齒輪箱,,,安裝,,,安裝,,,,,,,2、太陽能發(fā)電,人類雖然很早就開始利用太陽能，但對其深刻認識和開發(fā)利用，

40、直到最近二三十年內才真正開始。 人們利用太陽能的方法主要有三種： 1）是太陽能直接轉換成熱能， 即光熱轉換。如太陽能熱水器等。 2）使太陽能直接轉換成電能，即光電轉換。 如太陽能電池等。 3）是太陽能轉換成化學能，即光化學轉換。,,如太陽能發(fā)動機等。 1945年，美國貝爾實驗室制出了世界上第一塊實用的硅太陽能電池，開辟了人類使用太陽能的新紀元。為太陽能的利用提供了廣闊的空間，人造地球衛(wèi)星，宇宙飛船

41、探測器的翅膀上都安裝了大量的太陽能電池板，此外太陽能飛機、太陽能汽車、太陽能汽艇等，還有同樣能電話、太陽能彩色電視機，太陽能電視差轉機，路燈，家庭照明，交通信號燈等都離不開太陽能電池。 目前世界各國都在研究新型太陽能電池，提高光電轉換效率，使太陽能的利用得到了進一步的開發(fā)。,,一、太陽能熱發(fā)電 太陽能熱電站的形式有多種，下圖為太陽能發(fā)熱的四種方式。 圖1是美國一座塔式太陽能熱電站

42、 圖2是塔式太陽能熱電站的原理示意圖，周圍的平面反射鏡將太陽光反射到塔頂上的鍋爐上，將其內的介質（水或鈉）加熱后通過管道送給熱交換器3，并通過鼓風機9進行循環(huán)，熱交換器中的水變成高溫高壓水蒸氣送給汽輪機4，是指旋轉，帶動發(fā)動機5發(fā)電。,,,槽形拋物面,菲涅爾透鏡,,,盤形拋物面----中心接收器,分布平面塔式接收器,,,圖2 塔式太陽能熱電站原理示意圖,,,太陽能光伏電池陣,二、太陽能光伏電池,太陽能光伏發(fā)電是利用光生伏特效應原理、利用

43、太陽能電池將光轉換為電能的。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板（組件），控制器和逆變其三大部分組成。所涉及到的原件是電力電子元件，不涉及機械部分。所以設備簡單，可靠性高，壽命長，無噪聲無污染。可應用于上至航天器，下至家電的電源，達到兆瓦級電站，小到家用電源。如下圖。,,,圖1 美國的一座塔式太陽能熱電站,,太陽能光伏發(fā)電最基本的元件是太陽能電池，分為單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。 單晶硅和多晶硅用量最大，非晶

44、硅一般用于小系統(tǒng)和計算器輔助電源。國產晶體硅效率在10—13%左右，國外在12---14%。 目前光伏發(fā)電主要用于三大方面：1）為無電場合提供電源：如為居民區(qū)供電，微波通訊電源，通訊，移動電源和備用電源。2）太陽能日用產品：各類同樣能充電器，路燈，草坪燈。,,3）并網發(fā)電： 我國對太陽能的研究取得了顯著的成果，如研制的單晶硅太陽能電池用于1971年發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星上，1985.10第一作同樣能光伏電站在甘肅省

45、榆中縣建成，完成同樣能的轉換和儲存，使一周內不出太陽也能照常供電。2005年投資750萬美元，裝機容量達到1MW的最大太陽能光伏并網發(fā)電系統(tǒng)在深圳投入運行。其覆蓋面積達5325m2，單晶和多晶光伏組件達4000多個。這也是世界上為數不多的兆瓦級太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)之一。,,§3.7 磁懸浮列車技術 20世紀下半葉鐵路的電氣化是常規(guī)鐵路的運行速度達到了200多公里，為進一步提高時速，懸浮列車受到了廣泛的關注，它是

46、一種采用磁懸浮、直線電機驅動的新型無輪高速地面交通工具。具有速度高，運客量大，對環(huán)境影響（噪聲、振動）小，能耗低，運行安全平穩(wěn)，無脫軌危險，爬坡能力強的優(yōu)點。,,高速列車有兩種技術方案： 1、常導磁懸浮列車： 2、超導磁懸浮列車： 采用超導磁懸浮的優(yōu)點是：懸浮氣隙大，軌道結構簡單，造價低，車身輕。隨著高溫超導的發(fā)展，將具有更大的優(yōu)越性。目前常導磁懸浮列車的時速已達到500km/h，我國上海引進德國的捷

47、運高速磁懸浮系統(tǒng)已投入運營，時速為400km/h。 磁懸浮列車的運營要解決一下問題：,,磁懸浮、直線電動機驅動、車輛設計與研究、軌道設施、供電系統(tǒng)、列車檢測與控制等高新問題。 磁懸浮列車主要依靠電磁力實現傳統(tǒng)鐵路中的支撐、導向和牽引功能。由于列車鐵路之間無機械接觸，從根本上突破了輪軌鐵路中輪軌關系和弓網關系的束縛。因而速度可提高到400-550km/h以上。 任何磁懸浮列車都要解決三個問題：

48、即磁懸浮、驅動與導向。 磁懸浮的方式目前主要有三種：,,即電磁式（EMS）、電動式（EDS）和永磁式。 驅動用的直線電動機主要分為同步直線電動機和異步直線電動機。 導向分為主動（有源）導向和被動（無源）導向。下面給出了目前已運行的磁懸浮列車的分類:●長定子同步電機： 同步電機的轉子在車上，由諧波發(fā)電機與電池給轉子磁場供電或采用超導線圈，避免了網軌接觸，可實現高速。同步電機的定子在地面，

49、需要地面供電，結構復雜，成本高。典型代表是德國電磁懸浮和日本超導,,磁懸浮（電動懸?。穸潭ㄗ赢惒诫妱訖C：定子在車上，因此需要接觸網/軌供電，或采用額外的直線變壓器供電，速度受到限制。轉子在地面上，采用感應板（無轉子繞組）單邊激磁，結構簡單經濟，由于速度低，懸浮一般采用可靜態(tài)懸浮的電磁式（如日本的HSST），如果采用無接觸的直線變壓器供電，速度也可提高到400km/h以上，也可采用電動式磁懸?。ㄈ鹗縎wiss Metro

50、的一個方案），由于異步電動機的功率因數和效率較低，懸浮需要另外的電磁,,,,,,鐵，對大功率的高速列車一般不用。 由于異步電動機是單邊激磁，轉子不需要供電，長定子比短定子在材料上要高得多，經濟性較差，除非特殊需要，一般不采用長定子。一、日本超導磁懸浮列車 超導磁懸浮列車的車身上裝有超導磁體并構成感應動力設備，列車的驅動繞組和懸浮導向繞組安裝在地面導軌的兩側，地面導軌兩側的驅動繞組中通以三相交流電時，產生行波電

51、磁場，列車上的超導磁體就會受到一個,,與移動磁場同步的推動力，推動列車前進。2003年，高速磁懸浮列車時速達到581km/h。在導軌的側壁上，排列著一組組的懸浮—導向線圈，當車輛高速通過時，車輛上的超導磁場在導軌的側壁的懸浮線圈中產生感應電流和感應磁場，控制每組懸浮線圈上側的磁場極性與車輛超導磁場的極性相反，從而產生引力。而下側二者的極性相同，產生排斥力，使得車輛懸浮起來。如下圖。,,,日本超導懸浮列車的轉向架,,,,二、德

52、國常導磁懸浮列車 懸浮和導向系統(tǒng)是利用裝在車底部的可控懸浮電磁鐵和安裝在路軌底面的電磁反應軌之間的吸引力工作的。懸浮磁鐵從路軌下面利用吸引力使列車懸浮，導向磁鐵從側面使車輛保持運行軌跡。每一節(jié)車輛由15個獨立的懸浮磁鐵和13個導向磁鐵。懸浮磁鐵和導向磁鐵安裝在列車的兩側，驅動和制動依靠同步長定子直線電動機拖動，如下圖：,,,德國磁懸浮列車的導軌結構,,由于電磁是懸浮式不穩(wěn)定的，必須在磁鐵和軌道之間設置傳感器，通過閉環(huán)控制使它們

53、的間距控制在一定的范圍內。 因此德國的磁懸浮列車實際上是一臺“懸浮轉子大型直線同步電動機”，轉子磁極兼懸浮磁鐵、同步勵磁和齒諧波發(fā)電機電樞的三項功能于一身。,,,三、日本常導磁懸浮列車HSST HSST的工作原理與德國的類似，均使用磁吸式工作原理，HSST將電磁鐵安裝在車輛上，導軌的下部是吸引用的軌道，電磁鐵從下方產生吸引軌道的吸力，列車利用此吸力而懸浮，鐵軌和軌道的間隙也必須采用閉環(huán)控制。

54、 HSST與德國不同的是驅動電機，德國采用的是長定子同步電動機，而HSST則是采用的短定子異步電動機，電機定子安裝在車輛上，電機的鋁制長轉子（反應軌）沿列車前進方向鋪設在軌道上，車上裝有電源，利,,用車輛上電磁鐵的磁場與導軌磁場鋁板之間的電磁作用驅動列車行駛，但由于要通過導軌向車輛輸送電流，限制了速度。該鐵路已在名古屋建成了一條運營線，為2005年世界博覽會服務。如下圖。 我國和韓國也在研制類似的磁懸浮列車，

55、但還沒有正式運營。,,,,四、永磁式懸浮列車 永久磁鐵雖然可以產生吸引力或排斥力，但完全采用永久磁鐵不能獨立實現穩(wěn)定的磁懸浮，除非在空間的6個自由度中至少有一個其他的約束，這一點已在19世紀得到證明，稱為“Earnshaw” 定律。但采取其他措施后，就可實現穩(wěn)定懸浮，方法有： 1、定轉子全用永久磁鐵，利用吸引力或排斥力產生磁懸浮，由于不穩(wěn)定可采用機械導向輪或限位輪。因,,為定轉子之間有摩擦，故稱為半懸浮。不適

56、用于高速磁懸浮列車。如下圖為德國柏林曾運行過的“磁懸浮”城軌列車。,,,,2、定轉子全用永久磁鐵，利用吸引力或排斥力產生磁懸浮，或轉子用永久磁鐵，定子用鐵板，但均須在轉子（列車）上安裝補償電磁鐵，形成穩(wěn)定的磁懸浮。3、用永磁材料代替磁懸浮的超導磁鐵，與地面感應線圈作用，產生懸浮力（屬于電動勢磁懸浮，是美國“磁飛機”的方案之一）。4、用永久材料作為軌道一邊（一般為定子），與超導材料相互作用，產生穩(wěn)定的完全抗磁性懸浮力。,,5

57、、在車上安裝用永久材料做成的高速自轉磁輪，與地面導電材料軌面產生懸浮力，也可以實現穩(wěn)定懸浮。五、其他磁懸浮列車 各國研究的類型很多，如美國的城市磁懸浮列車和磁飛機，瑞士的SwissMetro等，但目前還沒有運行或樣機。,§3.8燃料電池技術,燃料電池的雛形是1839年英國科學家格羅夫提出的，（當時稱為氣體伏打電池），1932年，科學家在理論上進行了論證，為研制現代燃料電池打下了基礎，1958年燃料電池

58、正式問世，其輸出功率5KW，工作溫度為200℃，20世紀60年代，燃料電池作為“阿波羅”等宇宙飛船的電源，為宇宙開發(fā)立下了汗馬功勞。 眾所周知，水分解后可產生氫和氧，反之，氫和氧化合生成水。燃料電池正是利用水電解及其逆反應獲取電,,能的裝置，由天然氣、石油、甲醇、煤等原料為燃料制造氫氣，然后與空氣中的氧反應，便可輕易的得到所需的電源。 燃料電池雖然也是電池家庭的成員，但它與干電池、蓄電池都不同，它的化學燃料

59、不是裝在電池的內部，而是在外部，可以按需要，源源不斷的提供化學燃料，就像往煤膛里添加煤和油一樣，故稱它為燃料電池。下圖為一種電動汽車用燃料電池的結構。,,,,組成：燃料電極：主要有過渡金屬和貴金屬鉑、鈀、鎳等。氧化劑電極：主要有銀、金、汞等燃料：主要有氫、甲醛、烴類和天然氣等氧化劑：主要有空氣和純氧氣工作原理：燃料電極和氧電極形成負、正兩級，兩極之間用電解質（堿溶液或酸溶液）隔開，燃料和化學劑分別通入兩個電極，在催化

60、劑的催化作用下，通電介質一起發(fā)生氧化—還原反應。反應中產生的電子由導線引出產生電流。,,因此只要向燃料工作室不斷的輸入燃料和氧化劑，燃料電池就能持續(xù)的向外供電。 燃料電池的轉換效率比現在應用的火力發(fā)電還高，因此有人稱它為“新型發(fā)電機”。他不但能發(fā)電，還能供熱。與火力發(fā)電優(yōu)點如下：1）發(fā)電效率高，且穩(wěn)定。2) 工作可靠，不產生污染和噪音。3） 使用方便，電損耗低。4）建發(fā)電站用的時間短，可根據需要隨時擴大容量。

61、5）體積小，重量輕。使用壽命長，單位體積輸出功率大。,,20世紀70年代初，美國建成了一座1000KW的燃料電池發(fā)電裝置，并入電網運行了1千多個小時，目前人們正在研究高效的燃料電池，預計將用在汽車上作為動力使用，還可用于戰(zhàn)車，電動坦克，衛(wèi)星上的電源。下圖為公計算機使用的燃料電池。,,,§3.9飛輪儲能系統(tǒng),一、原理 飛輪儲能已有幾千年的歷史，古人就懂得用輪盤儲能來制造圓形的瓷器，在汽車、拖拉機中用飛輪來使旋轉更

62、平穩(wěn)。而現代的飛輪儲能是用電動機帶動飛輪使之高速旋轉，將電能轉換成動能 ，需要釋放時再帶動發(fā)電機將其轉換成電能。根據牛頓定律： W=Jω2/2為使w最大，應使ω增大，現代的飛輪轉速至少都在幾,,萬轉/分以上。 上世紀50年代就有人進行了飛輪實驗。如下圖。,,近年來，由于以下三方面的突破，給飛輪儲能帶來了新的活力。1、采用高強度玻璃纖維制造飛輪，使速度有了很大的提高。2、電力電子新技術，給其能量交換予以很大

63、的支持。3、電磁懸浮、超導磁懸浮技術的發(fā)展，降低了摩擦。目前世界上轉速最高的飛輪轉速可達20萬轉/分，因此能量非常大，理論上是鉛酸電池的6倍，使用壽命15年以上，效率90%，且無污染。美國空軍研究所與航空航天局飛輪儲能項目的研究目標是：近期用于大型航天器軌道機車、客車、卡車，中期計劃用于戰(zhàn)車、航天器、航天飛機、民用飛機等。,,二、應用 1、電力調峰 1996年德國研究儲能5MWh超導磁懸浮儲能飛輪電站，電

64、站由10個飛輪模塊組成，每個模塊重30t，直徑3.5m，高6.5m，轉子轉速2250-4500r/min,輸入輸出采用電動機/發(fā)電機來實現，效率96%。美國馬里蘭大學一直致力于研究飛輪儲能系統(tǒng)，1991年研發(fā)出用于電力調峰的24KWh電磁懸浮系統(tǒng)。飛輪重172.8kg，轉速11610—46345r/min,系統(tǒng)輸出恒壓110/240V,全程效率81%.如下圖。,,,,2、電動車輛飛輪電池 將飛輪儲能系統(tǒng)安裝在純電動車里作

65、為動力源，成為飛輪電池。研究表明：為維持200-250km的里程，和10s的10-96km/h的加速過程，大約需要78kwh的儲能量以及94kw的發(fā)電功率。 20世紀80年代初，瑞士研制成功完全由飛輪功能的第一輛汽車，飛輪直徑1.63m，重1.5t，載客70名，行程0.8km，在每一靠站停車時，需充電2min。美國研制的飛輪轎車，充電15min，可行駛560km。英國研制的飛輪有軌電車，充電90s，可行駛10km，比內燃機節(jié)

66、能2/3。如下圖。,,,,3、飛輪儲能-再生制動系統(tǒng) 過去的車輛在制動時，只能將多余的能量轉化為剎車片的熱能消化掉，電力機車與地鐵雖然可以采用再生制動，但在技術上有的問題。內燃機車與汽車由于沒有接觸網系統(tǒng)，無法采用再生發(fā)電制動。此時可采用飛輪再生制動系統(tǒng)。將飛輪能量釋放在內燃機上，與內燃發(fā)電機組配合，向牽引電動機供電。美國德克薩斯大學研發(fā)的飛輪儲能燃氣輪機輕型機車，被稱為下一代高速列車，已進行了多次試驗，效果良好德國也

67、開發(fā)出類似的裝置，如下圖。,,,,,,,,論文2題目：電工新技術的發(fā)展趨勢及對國民經濟發(fā)展的推動作用要求：1、格式：題目（小三號） 班級 學號 姓名 （小四號） 摘要：（100—200字，五號） 正文：（不低于3000字，小四號）2、可以自定副標題3、時間：二周,第四章 電力系統(tǒng)及其自動化,§4.1 電力系統(tǒng)簡介4.1.1 電力系統(tǒng)的任務

68、 安全、可靠、優(yōu)質、經濟的生產、傳輸和分配電能，滿足國民經濟和人民生活的需要。4.1.2 現代電力系統(tǒng)的特點 技術上發(fā)展的特征可用“大機組、大電網、高電壓”來描述，可靠性已成為電力系統(tǒng)規(guī)劃、設計、運行考慮的首要因素。20世紀60年代以來，以控制、通訊和計算機技術,,的引入與廣泛應用為標志。數字化、網絡化、信息化、智能化技術日益提高了電力系統(tǒng)的自動化水平，以電力電子技術為基礎，直流輸電技術成為成熟技術，靈活交流輸

69、電也得到了重視和發(fā)展，這些構成了現代電力系統(tǒng)技術發(fā)展的新特征。 電力市場的引入，可提高效率，降低成本，促進電力資源的合理使用，使用戶受益。4.1.3 電力資源與負荷 我國用于發(fā)電的一次性資源較為豐富，深埋在1000米,,以內的煤炭總資源為2.6萬億噸，居世界第二，水力資源儲藏量6.76×108kw，其中可利用的為3.7×108kw，70%的水資源集中在西南地區(qū)，其他如石油、核燃料、