6 电气工程概论_第六章_电工新技术.ppt

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 KamerlinghOnnes 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 583MW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 65MW船用高温超导推进电动机 电气工程专业导论 9 图6 75MW船用高温推进电动机结构图 电气工程专业导论 10 图6 8300kW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 10500kW 6600 3300V高温超导变压器 日本 图6 1126kW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 122000A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 1330m长 35kV 2kA高温超导电缆云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 152MJ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 27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 32Transrapid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 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 WilliamRobertGrove 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 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 MicroElectro MechanicalSystems 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 Chapter6NewTechnologyofelectrotechnics 电气工程专业导论 58 1 DevelopmentsofElectrotechnics 1 TendenciesofElectrotechnics2 SuperconductorElectrotechnics3 NuclearFusionElectrotechnics4 MagnetohydrodynamicPowerGeneration5 MagnetohydrodynamicPropulsionTechnology6 RenewablePowerGeneration7 MagneticLevitationTrain8 FuelCells9 FlywheelEnergyStorageSystems10 PulsedPowerTechnology11 MicroElectro MechanicalSystems 电气工程专业导论 59 2 SuperconductorElectrotechnics LiquidHeliumregionlowtemperaturesuperconductivematerial NbTiwire 电气工程专业导论 60 LiquidNitrogenregionhightemperaturesuperconductivematerial Biseriestapes 电气工程专业导论 61 SuperconductingPhenomenonAmomentousdiscoverybyDutchscientistH KamerlinghOnnesin1911 thattheresistanceofthemercuryturnedtozerowhenthetemperaturebelow 269 Itisaphenomenondisplayedbysomematerialswhentheyarecooledbelowacertaintemperature knownasthesuperconductingcriticaltemperature Tc HTS highTcsuperconductorBelowTc superconductingmaterialsexhibittwocharacteristicproperties Zeroelectricalresistance Fulldiamagnetism MeissnerEffect Whenthesuperconductorbelowit scriticaltemperature andamagnetisbroughtneartoit theinnermagneticfieldintensityofthesuperconductoriscompletelyexpelledtozero behavingasafulldiamagnet 电气工程专业导论 62 MeissnerEffectAsuperconductivediskonthebottom cooledbyliquidnitrogen causesthemagnetabovetolevitate Thefloatingmagnetinducesacurrent andthereforeamagneticfield inthesuperconductor andthetwomagneticfieldsrepeltolevitatethemagnet 电气工程专业导论 63 Applications Superconductingmotor 83MWsuperconductingrotorandit stestplant Japan 电气工程专业导论 64 5MWHTSshippropulsionmotor 电气工程专业导论 65 5MWHTSshippropulsionmotorstructures 电气工程专业导论 66 300kWsuperconductinghomopolarmotor 712instituteofWuHan China Superconductingmotorpoddedpropeller 电气工程专业导论 67 Superconductingtransformer 500kW 6600 3300VJapanHTStransformer 26kWHTStransformer InstituteofelectricalengineeringChineseacademyofscience 电气工程专业导论 68 Superconductingpowertransmission 2000AHTScableInnopowersuperconductorcableCo Ltd Beijing 电气工程专业导论 69 30mlength 35kV 2kAHTScablessystem 电气工程专业导论 70 Superconductingmagneticenergystorage SMES SMEScoil Germany2MJSMES 电气工程专业导论 71 Superconductingmagneticlevitatingtrain Maglev JapansuperconductingMaglevtrain 电气工程专业导论 72 ApplicationsinelectricalengineeringSuperconductingcoil Tokamakdevice MagnetohydrodynamicPowerGenerationSuperconductingMaglevbearing Nomechanicalfriction SteadyInshort superconductingelectrotechnicshasgainedadvanceddevelopmentfromsuperconductingmagnettosuperconductingpowerapplicationsfields WiththedevelopmentofLTSandHTStechnology somebadlyexpectedpracticalhouseTcsuperconductorswillbefounded Oncethishappens thewholeworldofelectronics powerandtransportationwillberevolutionized 电气工程专业导论 73 3 Nuclearfusionelectrotechnics Incontrasttonuclearfissionreactor whichbasedontheintegratingwithNuclearandheatengineeringtechnology thecombinationwithnewtechnologyofelectrotechnicsisthemainstreamtoresearchfusionreactor suchassuperconducting strongmagneticfield highpulsedpower assistantheating plasmatechnology 电气工程专业导论 74 PrincipleofTokamakdevice Toroidalnuclearfusiondevice Deuterium Tritium Helium 电气工程专业导论 75 Tokamakfusionreactorpowerplant 电气工程专业导论 76 4 Magnetohydrodynamic MHD PowerGeneration Atpresent theefficiencyofcoal firedpowergeneratingispoorabout30 40percent whileMHDpowergenerationcouldreaches50 60percentorevenhigher MHDpowergenerationisthatanewmethodtogenerateelectricpowerfromheatenergybyinteractionsbetweenhotgasorliquidandmagneticfield 电气工程专业导论 77 PrinciplediagramofMHDpowergeneratorandtestdevices 电气工程专业导论 78 SuperconductingmagnetofMHDpowergenerator InstituteofelectricalengineeringChineseacademyofscience 电气工程专业导论 79 5 MagnetohydrodynamicPropulsionTechnology Magnetohydrodynamicpropulsionship JapansuperconductingMHDpropulsionship 电气工程专业导论 80 PlasmaMagnetohydrodynamicspaceflightpropeller a b PlasmaMHDpropeller a Structuresketchmap b Propellerspoutof SMART 1 detector 电气工程专业导论 81 Windpowergeneration Windpowerplantandgridconnected 6 RenewablePowerGeneration 电气工程专业导论 82 Offshorewindpowergenerationbeinginstalled Denmark 电气工程专业导论 83 SolarpowergenerationThreeprinciples 1 Photothermalconversion usingthesuntoheatwaterandproducesteamtorunelectricalturbines suchassolarwaterheater 2 Photoelectricconversion convertingsolarenergytoDCelectricity suchassolarcells 3 Photochemicalconversion chemicalenergybeinggeneratedfromsolarenergy Fourmethodstocollectsolarenergy showedinthefiguresasfollows 电气工程专业导论 84 Fourmethodsofsolargeneration a Parabolictrough b Fresnel lens c Solardishes d Solarpowertowers 电气工程专业导论 85 Solarthermalpowerstation Solarpowertowersketchmap 电气工程专业导论 86 Solarphotovoltaicarrays PVarrays 电气工程专业导论 87 7 Magneticlevitatingtrain Maglev technology Maglevtrainsclassification 电气工程专业导论 88 TherearetwotypesofMaglevs onesthatuselikemagnetswhichrepeleachotherandonesthatuseopposingmagnetsthatattractwitheachother OnesthatuserepellingmagnetsarecalledSuperconductingMaglevs whileElectromagneticMaglevsuseopposingmagnets HowdoesaMaglevTrainwork EachprojectisdevelopingitsownversionofMaglevbutthemaindifferencerestsonthewaythemagneticfieldisgenerated TheGermanmodelandtheJapaneseHSST HighSpeedSurfaceTransport useElectromagneticSuspension EMS ChinainitsShanghaiMaglevusesGermantechnology EMSusestheattractivemagneticforceofamagnetbeneatharailtoliftthetrainup TheYamanashiMaglev Japan andtheprojectedFloridaMaglevuseElectrodynamicSuspension EDS EDSusesarepulsiveforcegeneratedbytheinteractionbetweenthemagneticfieldsinthetrainandtherailtopushthetrainawayfromthetrack TheprojectinLosAngeles Indutrack usesPermanentMagnetEDS 电气工程专业导论 89 JapansuperconductingMaglevtrains SuperconductingMaglevbogie SuperconductingMaglevtrack 电气工程专业导论 90 Germanynormal conductingmaglev Transrapid PrincipleofTransrapid 电气工程专业导论 91 Japannormal conductingHSSTMaglev Normalconductingmaglev LinimoinNagoya JapanHSST HighSpeedSurfaceTransport 电气工程专业导论 92 PermanentMaglev PM Berlinpermanentmagnethalflevitatingtrain Germany 电气工程专业导论 93 8 Fuelcells BritishphysicistWilliamRobertGrove 1811 1896 producedthefirstfuelcellin1839 called GasVoltaicbattery atthattime Fuelcellexteriorstructure 电气工程专业导论 94 FuelcellasComputerpowersupply 电气工程专业导论 95 Maintypesoffuelcells Firstgeneration alkalinefuelcell AFC highefficiencybutcostmuch Second phosphoricacidfuelcell PAFC advancedandverypractical Third moltencarbonatefuelcell MCFC higherefficiencythanPAFC usedtogeneratestrongpower Fourth solidoxidefuelcell SOFC usedsolidelectrolyte avoidsthedangerofelectrolytescorrosionandleakage Fifth protonexchangemembranefuelcell PEMFC closelyrelatedtohydrogenenergy Inrecently thereappearedanewtypefuelcellcalledmicrobialfuelcell MFC largepower smallsize andhighefficiency 电气工程专业导论 96 9 FlywheelEnergyStorage Switzerlandflywheelenergystoragetracktestvehiclein1955 Flywheelenergystoragesystem 电气工程专业导论 97 Applications Powergridpeakshaving Electricvehiclesflywheelbattery Flywheelenergystorage regenerativebrakingsystem Windpowergenerationsystem suninterruptedpowersupply Satelliteattitudecontrol Dischargingpulsedhighpowersupply Otherapplications 电气工程专业导论 98 Flywheelenergystoragedeviceinpowersystem Powergridpeakshaving 电气工程专业导论 99 Electricvehiclesflywheelbattery Bristolnewtramcarswithflywheelpowersupply 电气工程专业导论 100 Flywheelenergystorage regenerativebrakingsystem Germanyhybridpowerlightrailtrain LIREX withflywheelenergystorage Americainternalcombustionenginegenerator flywheelenergystoragehybridpublictransit ATTB 电气工程专业导论 101 Flywheelenergystorage regenerativebrakingsystembesidethetrack 电气工程专业导论 102 Satelliteattitudecontrol FlywheelsystemofSatelliteattitudecontrol 电气工程专业导论 103 Dischargingpulsedhighpowersupply Spacesh