电气工程概论_第六章_电工新技术

《电气工程概论_第六章_电工新技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气工程概论_第六章_电工新技术（114页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、电气工程专业导论,1,第六章 电工新技术,一、 电工新技术的发展趋势 二、 超导电工技术 三、 聚变电工技术 四、 磁流体发电技术 五、 磁流体推进技术 六、 可再生能源发电 七、 磁悬浮列车技术 八、 燃料电池技术 九、 飞轮储能系统 十、 脉冲功率技术 十一、微机电系统,电气工程专业导论,2,图6-1 电工新技术的分类,一、电工新技术的发展趋势,电气工程专业导论,3,二、超导电工技术,图6-2 液氦温区低温超导材料NbTi导线,电气工程专业导论,4,二、超导电工技术（续）,图6-3 液氮温区高温超导材料Bi系带材,电气工程专业导论,5,超导现象 1911年荷兰科学家昂纳斯（H. Kamer

2、lingh Onnes）在测量低温下水银电阻率的时候发现，当温度降到-269附近，水银的电阻突然消失。 超导态的两个基本性质： 一是零电阻效应； 二是完全抗磁性，又称迈斯纳（Meissner）效应，即在磁场中超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零，即磁力线完全被排斥在超导体外面。,二、超导电工技术（续）,电气工程专业导论,6,二、超导电工技术（续）,图6-4 超导体的完全抗磁性现象,电气工程专业导论,7,二、超导电工技术（续）,2. 超导技术的应用,超导电机,图6-5 83MW超导发电机超导转子（左）与试验车间（日本）,电气工程专业导论,8,图6

3、-6 5MW船用高温超导推进电动机,电气工程专业导论,9,图6-7 5MW船用高温推进电动机结构图,电气工程专业导论,10,图6-8 300kW超导单极电动机 （武汉712所等）,图6-9 由超导电动机作动力 的吊舱式螺旋推进器 （图片来源：ABB公司）,电气工程专业导论,11,超导变压器,图6-10 500kW, 6600/3300V 高温超导变压器（日本）,图6-11 26kW高温超导变压器（中国科学院电工研究所等）,电气工程专业导论,12,超导输电,图6-12 2000A高温超导电缆结构 云电英纳超导电缆公司,电气工程专业导论,13,图6-13 30m长、35kV、2kA高温超导电缆 云

4、电英纳超导电缆公司,电气工程专业导论,14,超导储能,图6-14 超导储能装置的储能线圈,图6-15 2 MJ超导储能设备 （德国）,电气工程专业导论,15,超导磁悬浮列车,图6-16 日本超导磁悬浮列车,电气工程专业导论,16,超导在电气工程领域的其他应用 超导电磁线圈：应用于托克马克装置、磁流体发电机等； 超导磁悬浮轴承：无机械摩擦，稳定好。 总之，超导电工已由最初的超导磁体技术扩展到了包括超 导电力应用与强磁场应用等领域，随着低温超导技术和高 温超导技术的不断发展，特别是如果实现了临界温度达到 室温的实用超导体，将带来革命性的改观。,电气工程专业导论,17,三、 聚变电工技术,与裂变反应

5、堆主要依靠核工技术与热工技术的 结合而发展起来的历史不同，聚变反应堆的发展 主要依赖于核工技术与电工新技术的结合，因为 需要的关键技术超导技术、大体积强磁场技术、 大能量脉冲电源技术、辅助加热技术、等离子体 控制技术都属于电工新技术。,电气工程专业导论,18,图6-17 托克马克装置原理 （环形核聚变反应装置）,电气工程专业导论,19,图6-18 基于托克马克的核聚变电站原理,电气工程专业导论,20,四 、磁流体发电技术,当前，世界各国的电力主要来源仍旧是火力发电，但这种 发电方式的热效率很低，最高只有40%。磁流体发电的热 效率可以从火力发电的30-40%提高到50-60%甚至更高。 磁流体

6、发电是将高温导电燃气或液体与磁场相互作用而将 热能直接转化为电能的新型发电方式。,电气工程专业导论,21,图6-19 磁流体发电原理与试验装置（日本）,电气工程专业导论,22,图6-20 磁流体发电用超导磁体 （中国科学研究院电工研究所）,电气工程专业导论,23,五、磁流体推进技术,磁流体推进船,图6-21 日本超导磁流体推进船,电气工程专业导论,24,等离子磁流体航天推进器,（a） （b） 图6-22 等离子推进器 （a）结构示意图 （b）“SMART-1 号”探测器等离子推进器的喷口,电气工程专业导论,25,风力发电,图6-23 风力发电站与电力系统并网,六、可再生能源发电,电气工程专业导

7、论,26,图6-24 海上风力发电机正在安装（丹麦）,电气工程专业导论,27,太阳能发电 主要有三种： 一是使太阳能直接转变成热能，即光热转换， 如太阳能热水器； 二是使太阳能直接转换成电能，即光电转换， 如太阳能电池； 三是使太阳能直接转变成化学能，即光化学转换， 如太阳能发电机。 1945年，美国贝尔电话实验室制造除了世界上第一块 实用的硅太阳能电池，开创了现代人类利用太阳能的 新纪元。,电气工程专业导论,28,图6-25 太阳能发电的四种方式 （a）槽型抛物面（b）菲涅耳透镜 （c）盘形抛物面-中心接受器（d）分布平面塔式接收器,电气工程专业导论,29,图6-26太阳能热发电站,图6-2

8、7 塔式太阳能热电站 原理示意图,电气工程专业导论,30,图6-28 太阳能光伏电池阵,电气工程专业导论,31,七、磁悬浮列车技术,图6-29 磁悬浮列车分类,电气工程专业导论,32,日本超导磁悬浮列车,图6-30 日本超导磁悬浮列车 的转向架,图6-31 日本超导磁悬浮列车 的导轨结构,电气工程专业导论,33,德国常导磁悬浮列车Transrapid,图6-32 Transrapid原理,电气工程专业导论,34,日本常导磁悬浮列车HSST,图6-33 日本名古屋常导磁悬浮列车（Linimo）,电气工程专业导论,35,永磁磁悬浮列车,图6-34 德国柏林永磁半悬浮列车,电气工程专业导论,36,八

9、、燃料电池技术,燃料电池的雏形是1839年由英国科学家格罗夫（William Robert Grove，1811-1896）提出的（当时称为“气体伏打电池”）。,图6-35 燃料电池的外部结构图,电气工程专业导论,37,图6-36 为计算机供电的燃料电池,电气工程专业导论,38,第一代燃料电池，碱性燃料电池，效率最高，但成本昂贵； 第二代燃料电池，磷酸型燃料电池，技术先进，实用； 第三代燃料电池，熔融碳酸盐型（MCFC）电池，效率比磷酸 型高，燃料也不仅仅限于氢气，是一种大容量发电燃料 电池； 第四代燃料电池，固体电解质型燃料电池（SOFV），性能优 良，电解是固体，因此免去了腐蚀和溢漏的危险

10、； 第五代燃料电池，聚合物电解质型薄膜燃料电池（PEMFC）， 与氢能源关系十分密切； 最近又出现了生物燃料电池，具有功率大，体积小，效率 高，成本低等优点。,电气工程专业导论,39,九、飞轮储能系统,图6-37 瑞士1955年试制的 飞轮储能轨道试验车,图6-38 飞轮储能系统,电气工程专业导论,40,飞轮储能的应用,电力调峰,电动车辆飞轮电池,飞轮储能-再生制动系统,风力发电系统不间断供电,卫星姿态控制,大功率脉冲放电电源,其他应用,电气工程专业导论,41,图6-39 电力系统中的飞轮储能装置,电力调峰,电气工程专业导论,42,电动车辆飞轮电池,图6-40 英国Bristol的新型 纯飞轮

11、供电有轨车,电气工程专业导论,43,飞轮储能-再生制动系统,图6-41 德国采用飞轮储能装置 的LIREX混合动力轻轨列车,图6-42 美国内燃机发电机-飞轮 储能混合动力公交车ATTB,电气工程专业导论,44,图6-43 轨旁飞轮储能再生制动系统,电气工程专业导论,45,卫星姿态控制,图6-44 卫星姿态控制用飞轮系统,电气工程专业导论,46,大功率脉冲放电电源,图6-45 航天飞机电磁发射示意图,电气工程专业导论,47,十、脉冲功率技术,脉冲功率技术的基础是冲击电压发生器，也叫马克斯发生器 或冲击机，是德国人马克斯（E.Marx）在1924年发明的。,图6-46 马克斯发生器,电气工程专业

12、导论,48,目前，脉冲功率技术的发展方向是提高功率水平，具体的 主攻方向是： 提高储能密度，研制大功率和高重复率的转换开关，向着 高电压、大电流、窄脉冲、高重复率的方向发展。 脉冲功率技术的应用： 强激光的研究 强脉冲X射线 核电磁脉冲 高功率微波武器 电磁炮,电气工程专业导论,49,图6-47 电磁发射装置,电气工程专业导论,50,图6-48 国外研制的电磁炮,电气工程专业导论,51,十一、微机电系统,微机电系统 （Micro Electro-Mechanical Systems， MEMS），是融合了硅微加工、光刻铸造成型和精密机械加工等多种微加工技术制作的集微型传感器、微型执行器以及信号

13、处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微米（10e-6m）尺寸微型机电系统。,电气工程专业导论,52,图6-49 微机电系统电机 和一根头发的对比（显微图）,图6-50 微机电系统继电器 （放大图）,电气工程专业导论,53,图6-51 微机电系统陀螺仪,电气工程专业导论,54,图6-52 封装好的微机电系统产品,电气工程专业导论,55,图6-52 微机电系统卫星（概念图）,电气工程专业导论,56,谢谢!,电气工程专业导论,57,Chapter 6 New Technology of electrotechnics,电气工程专业导论,58,1. Developments of Electr

14、otechnics,1. Tendencies of Electrotechnics 2. Superconductor Electrotechnics 3. Nuclear Fusion Electrotechnics 4. Magnetohydrodynamic Power Generation 5. Magnetohydrodynamic Propulsion Technology 6. Renewable Power Generation 7. Magnetic Levitation Train 8. Fuel Cells 9. Flywheel Energy Storage Syst

15、ems 10. Pulsed Power Technology 11. Micro Electro-Mechanical Systems,电气工程专业导论,59,2. Superconductor Electrotechnics,Liquid Helium region low temperature superconductive material NbTi wire,电气工程专业导论,60,Liquid Nitrogen region high temperature superconductive material - Bi series tapes,电气工程专业导论,61, Super

16、conducting Phenomenon A momentous discovery by Dutch scientist H. Kamerlingh Onnes in 1911, that the resistance of the mercury turned to zero when the temperature below -269. It is a phenomenon displayed by some materials when they are cooled below a certain temperature, known as the superconducting critical temperature, Tc. HTS: high Tc superconductor Below Tc, superconducting materials exhibit two characteristic properties: Zero electrical resistance;