第六章电工新技术

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新理论、新原理新材料新技术等离子体物理放电物理电磁流体力学直线电机超导材料永磁材料半导体材料微电子计算机放电应用核聚变磁流体发电磁流体推进磁悬浮列车超导电工永磁电机与磁体光电应用电力电子微电子专用设备数控与机电控制电工装置CAD电磁场数值计算基础主要分支图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------Superconductor图6-2液氦温区低温超导材料——NbTi导线

在强电磁场中，超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等电气工程专业导论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

超导简史

1908年，荷兰物理学家昂内斯首次成功地把称为“永久气体”的氦液化，因而获得4.2K的低温源，为超导准备了条件，三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。物质在超低温下失去电阻的性质称为超导电性，具有这种性质的物质称为超导体，超导体在电阻消失以前的状态称为常导状态，电阻消失以后的状态称为超导状态。这种特性称为超导材料的零电阻性。汞在液氦附近电阻变化行为

自1911年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。包括水银在内，24种纯金属超导材料的临界温度范围为0.1～9.13K，最高温度9.13K的是铌元素。

1952年，发现临界温度为17K的硅化钒，不久又发现了临界温度为18K的铌锡合金，这在当时是最高的临界温度，以后又陆续发现了若干铌系列合金超导体。

1973年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为23.2K，该纪录保持了13年。

1986年，IBM公司的研究人员米勒和贝德诺尔茨发现了一种铜氧化物具有35K的高温超导性，突破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，更重要的是改变了从金属和合金中寻找超导材料的传统思路。

1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”被跨越。1987年，中国科学家赵忠贤在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度，使资源丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却剂成为可能。人们将这类铜基氧化物超导体叫做高温超导体。为了与这类新发现的高温超导体相区别，人们把在此以前发现的超导体称为低温超导体。1987年底，铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的纪录提高到125K。1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡-钙-铜-氧系材料。超导体的性质和临界参数零电阻

将超导体冷却到某一临界温度以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象叫超导体零电阻电气工程专业导论11二、超导电工技术（续）图6-4超导体的完全抗磁性现象完全抗磁性

当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应“三个临界参数临界温度（TC）--超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。临界电流密度（JC）--通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。临界磁场（HC）--施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。

电气工程专业导论15二、超导电工技术（续）2.超导技术的应用超导电机

绕组由实用超导线绕制成的电机叫做超导电机。超导电机具有功率密度大、效率高等待点，是很有发展前途的电机。超导电机目前主要做成汽轮发电机和单极直流电机。其中后者采用超导励磁绕组及液态电刷，可以制成高电压、大电流、大容量的直流电机，有圆盘式和折入式两种，均可作发电机运行(由原动机驱动)，也可作电动机运行(由电刷引入电流)。超导单极直流电机适用于船舶推进、轧钢、大型卷扬机和慢速压缩机等场合。电气工程专业导论16二、超导电工技术（续）图6-583MW超导发电机超导转子（左）与试验车间（日本）1、小型化、轻量化、大幅度拓宽了制作界限2、效率的提高3、输出电压高压化4、同步电机特性改善电气工程专业导论171、小型化、轻量化、大幅度拓宽了制作界限电气工程专业导论202、效率的提高300MW同步发电机的各项指标比较电气工程专业导论213、同步电机特性改善4、输出电压高压化电气工程专业导论22图6-65MW船用高温超导推进电动机电气工程专业导论23图6-75MW船用高温推进电动机结构图电气工程专业导论24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25

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）高温超导变压器的绕组导线为高温超导材料，冷却介质不是油、空气，而是液氮或传导冷却（制冷剂），铁芯材料是特殊硅钢片。高温超导变压器具有体积小、重量轻、效率高、过负荷能力强、无火灾隐患等优点。与传统的变压器相比，高温超导变压器的总损耗是传统变压器的31%，重量是46%，成本是77%。高温超导变压器的效率将大大高于传统油浸式变压器，因此可节约可观的能源，也减少了对化石燃料的需求，减少了因燃烧化石燃料而产生的各种污染，同时由于没有变压器油，不必担心火灾和漏油造成的污染。高温超导变压器具有十分广阔的发展前景。在国家“863”重大项目支持下，中国科学院电工研究所与新疆特变电工股份有限公司、河北大学合作，从2002年起开展三相630kVA／10.5KV高温超导变压器的研发。电气工程专业导论28

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1、导体中与电流相关的损耗；2、冷却电缆的低温热漏；3、由于电缆较长而使用的制冷剂、加压泵带来的损耗。电气工程专业导论29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30

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31电气工程专业导论32超导储能的优点很多，主要是功率大、体积轻、体积小、损耗小、反应快等等，因此应用很广。如大功率激光器，需要在瞬时提出数千乃至上万焦耳的能量，这就可有超导储能装置来承担。超导储能还可以用于电网。当大电网中负荷小时，把多余的电能储存起来，负荷大时又把电能送回电网，这样就可以避免用电高峰和低谷时的供求矛盾。这就是超导储能。电气工程专业导论34

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35

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36三、聚变电工技术--------

原子核中蕴藏巨大的能量，原子核的变化（从一种原子核变化为另外一种原子核）往往伴随着能量的释放。如果是由重的原子核变化为轻的原子核，叫核裂变(Nuclearfission)，如原子弹爆炸；如果是由轻的原子核变化为重的原子核，叫核聚变(Nuclearfusion)，如太阳发光发热的能量来源。

核聚变是指由质量小的原子，主要是指氘或氚，在一定条件下（如超高温和高压），发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核，并伴随着巨大的能量释放的一种核反应形式。发生核聚变的条件

高温——高温可为氢原子提供足够的能量，以克服质子之间的电荷排斥。核聚变需要的温度约为1亿开（约是太阳核心温度的六倍）。在这样的高温下，氢的状态为等离子体，而不是气体。等离子体是物质的一种高能状态，其中所有电子都从原子中剥离出来，并可以自由移动。太阳的高温是由重力压缩核心的巨大质量而产生的。我们要制造出这样的高温，就必须利用微波、激光和离子粒子的能量。高压——压力可将氢原子挤在一起。氢原子之间的距离必须在1x10-15米以内，才能进行聚合。太阳利用其质量和重力将核心内的氢原子挤压在一起。我们要将氢原子挤压在一起，必须使用强大的磁场、激光或离子束。目前的技术只能实现发生氘－氚聚变所需的温度和压力。氘－氘聚变需要的温度更高，这种温度有可能在将来实现。利用氘氘聚变会更加方便，因为从海水中提取氘比从锂中提取氚要更加容易。另外，氘不具有放射性，而且氘氘反应可释放更多的能量。实现发生氢聚变所需的温度和压力的两种方法磁约束使用磁场和电场来加热并挤压氢等离子体。法国的ITER项目使用的就是这种方法。

惯性约束使用激光束或离子束来挤压并加热氢等离子体。在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施中，科学家们正在对这种试验方法展开研究。磁约束的工作原理加速器释放出微波、带电粒子束和中性粒子束，用于加热氢气的气流。在高温下，氢气从气态变为等离子体。这种等离子体受到超导磁体的挤压，进而发生聚变。在用磁场约束等离子体时，最有效的磁体形状是面包圈形（即环形）。

核聚变反应堆加热氘和氚燃料的气流，使之形成高温的等离子体。接下来，反应堆对等离子体施加压力，继而发生聚变。等离子体反应室外部的锂包层将吸收核聚变反应中释放的高能中子，从而产生更多的氚燃料。在高能中子的作用下，这些包层也会被加热。水冷回路将热量转移至热交换器，最终形成蒸气。蒸气驱动涡轮发电。蒸气将被重新压缩成水，以便让热交换器吸收反应堆中的更多热量。核聚变反应将持续300~500s（最终将形成持续的核聚变反应）。启动核聚变反应所需的电能约为70MW，但该反应生成的电能约为500MW。ITER(InternationalThermonuclearExperimentalReactor)Tokamak的工作过程电气工程专业导论42图6-17托克马克装置原理（环形核聚变反应装置）核聚变的优点核聚变的主要应用是发电，它可为后代提供安全、清洁的能源，与目前的核裂变反应堆相比，它具有以下优点：燃料供应充足——氘可直接从海水中提取，大量的氚可从核反应堆本身的锂中获得，而锂又广泛存在于地壳中。核裂变所需的铀非常稀少，必须经过开采和浓缩后才能用于反应堆。安全——与核裂变反应堆相比，核聚变所需的燃料较少。这样便避免了不可控的能量释放。与人类生存的自然界相比，大多数核聚变反应堆释放的辐射并不算多。清洁——核电厂（无论是裂变还是聚变）不靠燃烧发电，不会造成空气污染。核废物更少——核聚变反应堆不像核裂变反应堆那样会生成大量的核废物，因而处理起来会更加容易。另外，核裂变所产生的废物属于武器级的核材料，而核聚变的废物则没有这样的危险。

我国的East全超导托卡马克电气工程专业导论45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46四、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。2023/2/147磁流体发电的定义及工作原理定义：磁流体发电就是导电流体(气、液体)以一定的速度垂直通过磁场，从而感应电动势产生电功率，把内能直接转换成电能的一种发电方式。工作原理：目前开发的方案是将等离子体喷入磁场，在洛伦磁力的作用下，带正负电荷的粒子分别反向运动，各自聚集到电极上，将电极外接负载（用电器），就能输出电能。

最简单的开式磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体组成。工作过程是在化石燃料燃烧后产生的高温气体中，加入易电离的钾盐或钠盐，使起部分电离后，经喷管加速产生高达摄氏3000度、速度达到1000米／秒的高温高速导电气体，最后产生电流。磁流体发电机由燃烧室、发电通道和磁体等部分组成.高温气体温度3000K，1000米／秒的速度喷出的等离子体加速喷管工作原理2023/2/149磁流体发电机结构原理：磁流体发电机由燃烧系统，通道和磁体三大部分组成。1.燃烧系统包括燃烧室、喷管和空气预热系统等。燃烧室是将燃料、气化蹊剂、碱金属（种子）燃烧而获得导电气体——低温离子体。2023/2/150

2.发电通道是磁流体发电机的核心部分。它的性能的好坏在很大程度上决定了磁流体发电机能否付实用，通道的主要要求是在具有一定的热电转效率（要求20%以上）的基础上，保证可靠的长时间运行（要求3000小时以上）。

3.磁体是磁流体发电机不可缺少的重要部件，它的作用和普通发电机磁极的作用相同。大型磁流体发电机的磁体必须采用超导磁体才能满足要求。磁流体发电是一种新型的发电方法。它把燃料的热能直接转化为电能，省略了由热能转化为机械能的过程，因此，这种发电方法效率较高，可达到60％以上。对环境的污染也小。磁流体发电的另一个好处是产生的环境污染少。利用火力发电，燃烧燃料产生的废气里含有大量的二氧化硫及NOx，这是造成空气污染的一个重要原因。利用磁流体发电，不仅使燃料在高温下燃烧得更加充分，使Nox充分氧化，还能使硫与其他添加剂生成硫酸钾，并被回收利用，这就避免了直接把硫排放到空气中，对环境造成污染。磁流体发电的特点磁流体发电机制造中的主要问题是发电通道效率低，目前只有10%。通道和电极的材料都要求耐高温、耐碱腐蚀、耐化学烧蚀等，目前所用材料的寿命都比较短，因而磁流体发电机不能长时间运行。

技术难题磁流体发电机的磁场：利用超导材料来代替普通绕线来产生电磁场，由于超导材料不用电压维持就能形成持久的环路电流，所以能产生强磁场，但是超导材料要在超低温下才有超导现象，（最新的超导材料的温度也没超过200K）故而，寻找新的更高温度的超导材料也是磁流体发电机提高效率的要求。磁流体发电机的发展和情况最近几年，科学家在导电流体的选用上有了新的进展，发明了用低熔点的金属（如钠、钾等）作导电流体，在液态金属中加进易挥发的流体（如甲苯、乙烷等）来推动液态金属的流动。制造电极的材料和燃料的研制方面也有了新进展。但要解决磁流体发电中技术、材料等方面的所有难题是不现实的。随着新的导电流体的应用，技术难题逐步解决，磁流体发电的前景还是乐观的。在美国，磁流体发电机的容量已超过3.2万KW；日本、西德、波兰等许多国家都在研制磁流体发电机。

磁流体发电机现在已应用到个个领域.在国防方面，我们已经看到了用磁流体发电机为动力的潜艇；在日常生活中，已经有了磁流体的新概念车型…….电气工程专业导论55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56五、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六、可再生能源发电

对电力需求的日益增加和大量的能源消耗，大量火电厂的建造，使得CO2等有害气体大量排放，环境恶化。我国目前以煤为主的能源方案，预计2020年，我国的二氧化碳排放量就可能超过美国，成为世界上第一排放国。解决方法：

扩大再生能源的应用比例：清洁能源包括：小水电，风能，光伏发电，生物质能，地热发电等电气工程专业导论58可再生能源(RE)发电电气工程专业导论59风力发电图6-23风力发电站与电力系统并网六、可再生能源发电风能：全球年增长率超过30％AC-DC-AC方式AC-AC方式可再生能源(RE)-风力发电电气工程专业导论61图6-24海上风力发电机正在安装（丹麦）我上到风机上了存在的问题：1、频率稳定；2、电压稳定；3、低频功率震荡；4、风场模型多变性。电气工程专业导论74电气工程专业导论75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76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77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78图6-28太阳能光伏电池阵一个有储能系统的光伏发电系统典型结构示意图2002年，有400MW的光伏电池模块进入市场。主要应用缺点：成本高效率不高在家庭分布式发电系统中有广阔的应用前景。电气工程专业导论82七、磁悬浮列车技术超导长定子永磁长定子常导短定子常导长定子电动式长定子电磁式短定子电磁式长定子永磁式长定子图6-29磁悬浮列车分类磁悬浮系统类型

电磁悬浮系统（ElectroMagneticSystem）:依靠在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮,属吸力悬浮系统,并主要应用于德国常导磁悬浮列车系列.(左图)电力悬浮系统（ElectroDynamicSystem）:将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生感应电流,进而产生电磁斥力以支撑和导向列车.属斥力悬浮系统,并主要应用于日本超导磁悬浮列车系列.(右图)电气工程专业导论84

德国常导磁悬浮列车Transrapid图6-32Transrapid原理德国：常规磁铁吸引式悬浮系统日本：排斥式悬浮系统电气工程专业导论87

日本超导磁悬浮列车图6-31日本超导磁悬浮列车的导轨结构图1图2图3悬浮的原理：列车上装有超导磁体，由于悬浮而在线圈上高速前进。这些线圈固定在铁路的底部，由于电磁感应，在线圈里产生电流（图1），地面上线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总是保持相同，这样在线圈和电磁体之间就会一直存在排斥力，从而使列车悬浮起来。

前进的原理：在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。正如图2所显示的，列车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。当列车到达图3所标的位置时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。

根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。电气工程专业导论89优点1磁悬浮列車运行时与轨道保持一定的间隙（一般为１-１０厘米），因此无摩擦、运行安全、平稳舒适、无杂讯，可以实现全自动化运行。优点2磁悬浮列车车辆使用寿命可达35年，而普通有轨列车只有20至25年。磁悬浮列车的路轨寿命是80年，普通路轨道60年。优点3磁悬浮列車启动后３９秒即达到最大速度，目前的最高時速是５５２公里。据德国科学家预测，到２０１４年，磁悬浮列车采用新技术后，时速将达１０００公里。而一般铁轨列車的最高時速为３００公里。上海现已建成的磁悬浮列车线，其最高時速为500公里。优点4

磁悬浮高速列车噪音低，节能，占地面积少，这是其他陆路交通系统无法与之相比的。这种创新的无接触轨道技术带来了极大的机动性，但却不会对环境造成负担。与新一代的汽车发动机相似，在同等功率下，磁悬浮高速列车比高速铁路所消耗的能源要少的多。或者反过来说：在耗能相同的情况下，磁悬浮高速列车的效率要高得多。通过下面这组图片可以使大家更直观的了解磁悬浮列车的优点(1)超导悬浮能耗大；(2)超导悬浮低速区制动运行条件不好；(3)起浮及落地系统，超导装置及冷却系统要占车辆重量的相当比重；(4)全速范围内的舒适度控制技术尚未解决；(5)强磁场对人体影响尚不清楚。电气工程专业导论95电气工程专业导论96

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97八、燃料电池技术-----Fuelcells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98电气工程专业导论99电气工程专业导论100

转换效率高；污染小；噪音低；积木性高，可靠性高；适用能力强，可使用多种初级燃料。电气工程专业导论101图6-36为计算机供电的燃料电池电气工程专业导论102九、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103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104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105

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106

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107图6-43轨旁飞轮储能再生制动系统电气工程专业导论108

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109

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110十、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111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112轨道炮线圈炮磁悬浮发射器

磁悬浮加速托架磁悬浮间隙电枢线圈

驱动线圈

电枢（等离子体）电流图6-47电磁发射装置电气工程专业导论113图6-48国外研制的电磁炮电气工程专业导论114十一、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115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116图6-51微机电系统陀螺仪电气工程专业导论117图6-52封装好的微机电系统产品电气工程专业导论118图6-52微机电系统卫星（概念图）电气工程专业导论119谢谢!电气工程专业导论120Chapter6NewTechnologyofelectrotechnics

电气工程专业导论1211.DevelopmentsofElectrotechnics1.TendenciesofElectrotechnics2.SuperconductorElectrotechnics3.NuclearFusionElectrotechnics4.MagnetohydrodynamicPowerGeneration5.MagnetohydrodynamicPropulsionTechnology6.RenewablePowerGeneration7.

MagneticLevitationTrain8.FuelCells9.FlywheelEnergyStorageSystems10.PulsedPowerTechnology11.MicroElectro-MechanicalSystems电气工程专业导论1222.SuperconductorElectrotechnicsLiquidHeliumregionlowtemperaturesuperconductivematerial–NbTi

wire

电气工程专业导论123LiquidNitrogenregionhightemperaturesuperconductivematerial-Biseriestapes电气工程专业导论124>>SuperconductingPhenomenon

AmomentousdiscoverybyDutchscientistH.KamerlinghOnnesin1911,thattheresistanceofthemercuryturnedtozerowhenthetemperaturebelow-269℃.Itisaphenomenondisplayedbysomematerialswhentheyarecooledbelowacertaintemperature,knownasthesuperconductingcriticaltemperature,Tc.

HTS:highTcsuperconductor

BelowTc,superconductingmaterialsexhibittwocharacteristicproperties:Zeroelectricalresistance;Fulldiamagnetism(MeissnerEffect).Whenthesuperconductorbelowit’scriticaltemperature，andamagnetisbroughtneartoit,theinnermagneticfieldintensityofthesuperconductoriscompletelyexpelledtozero,behavingasafulldiamagnet.电气工程专业导论125MeissnerEffectAsuperconductivediskonthebottom,cooledbyliquidnitrogen,causesthemagnetabovetolevitate.Thefloatingmagnetinducesacurrent,andthereforeamagneticfield,inthesuperconductor,andthetwomagneticfieldsrepeltolevitatethemagnet.电气工程专业导论126>>Applications

Superconductingmotor83MWsuperconductingrotor

andit’stestplant(Japan)电气工程专业导论1275MWHTSshippropulsionmotor电气工程专业导论1285MWHTSshippropulsionmotorstructures电气工程专业导论129300kW

superconductinghomopolarmotor（712instituteofWuHan,China）Superconductingmotorpoddedpropeller电气工程专业导论130

Superconductingtransformer500kW,6600/3300VJapanHTStransformer26kWHTStransformer

(InstituteofelectricalengineeringChineseacademyofscience)电气工程专业导论131

Superconductingpowertransmission2000AHTScableInnopowersuperconductorcableCo.,Ltd.,Beijing电气工程专业导论13230mlength、35kV、2kAHTScablessystem电气工程专业导论133

Superconductingmagneticenergystorage(SMES)SMEScoilGermany2MJSMES电气工程专业导论134

Superconductingmagneticlevitatingtrain(Maglev)JapansuperconductingMaglevtrain电气工程专业导论135

Applicationsinelectricalengineering

Superconductingcoil:

Tokamakdevice,Magnetohydrodynamic

PowerGeneration

SuperconductingMaglevbearing:Nomechanicalfriction,Steady

Inshort,superconductingelectrotechnicshasgainedadvanceddevelopmentfromsuperconductingmagnettosuperconductingpowerapplicationsfields.WiththedevelopmentofLTSandHTStechnology,somebadlyexpectedpracticalhouseTcsuperconductorswillbefounded.Oncethishappens,thewholeworldofelectronics,powerandtransportationwillberevolutionized.电气工程专业导论1363.NuclearfusionelectrotechnicsIncontrasttonuclearfissionreactor,whichbasedontheintegratingwithNuclearandheatengineeringtechnology,thecombinationwithnewtechnologyofelectrotechnicsisthemainstreamtoresearchfusionreactor,suchassuperconducting,strongmagneticfield,highpulsedpower,assistantheating,plasmatechnology.电气工程专业导论137PrincipleofTokamakdevice(Toroidalnuclearfusiondevice)Deuterium-Tritium-Helium

电气工程专业导论138Tokamakfusionreactorpowerplant电气工程专业导论1394.Magnetohydrodynamic(MHD)PowerGeneration

Atpresent,theefficiencyofcoal-firedpowergeneratingispoorabout30-40percent,whileMHDpowergenerationcouldreaches50-60percentorevenhigher.

MHDpowergenerationisthatanewmethodtogenerateelectricpowerfromheatenergybyinteractionsbetweenhotgasorliquidandmagneticfield.电气工程专业导论140PrinciplediagramofMHDpowergeneratorandtestdevices电气工程专业导论141SuperconductingmagnetofMHDpowergenerator(InstituteofelectricalengineeringChineseacademyofscience)电气工程专业导论1425.MagnetohydrodynamicPropulsionTechnology

MagnetohydrodynamicpropulsionshipJapansuperconductingMHDpropulsionship电气工程专业导论143

PlasmaMagnetohydrodynamicspaceflightpropeller（a）（b）PlasmaMHDpropeller（a）Structuresketchmap（b）Propellerspoutof“SMART-1”detector电气工程专业导论144

WindpowergenerationWindpowerplantand

gridconnected6.RenewablePowerGeneration电气工程专业导论145Offshorewindpowergenerationbeinginstalled（Denmark）电气工程专业导论146

Solarpowergeneration

Threeprinciples：

1）Photothermalconversion,

usingthesuntoheatwaterandproducesteamtorunelectricalturbines,suchas

solarwaterheater;

2）Photoelectricconversion,convertingsolarenergytoDCelectricity,suchassolarcells;

3）Photochemicalconversion,chemicalenergybeinggeneratedfromsolarenergy.

Fourmethodstocollectsolarenergy,showedinthefigures

asfollows:

电气工程专业导论147Fourmethodsofsolargeneration(a)Parabolictrough(b)‘Fresnel’lens(c)Solardishes(d)Solarpowertowers电气工程专业导论148SolarthermalpowerstationSolarpowertowersketchmap电气工程专业导论149Solarphotovoltaicarrays(PVarrays)电气工程专业导论1507.Magneticlevitatingtrain(Maglev)technology超导长定子永磁长定子常导短定子常导长定子电动式长定子电磁式短定子电磁式长定子永磁式长定子Maglevtrainsclassification电气工程专业导论151TherearetwotypesofMaglevs: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152

JapansuperconductingMaglevtrainsSuperconductingMaglevbogieSuperconductingMaglevtrack电气工程专业导论153

Germanynormal-conductingmaglev:TransrapidPrincipleof

Transrapid电气工程专业导论154

Japannormal-conductingHSSTMaglevNormalconductingmaglev-LinimoinNagoya,JapanHSST:HighSpeedSurfaceTransport电气工程专业导论155

PermanentMaglev(PM)Berlinpermanentmagnethalflevitatingtrain,Germany电气工程专业导论1568.FuelcellsBritishphysicistWilliamRobertGrove,1811-1896,producedthefirstfuelcellin1839(called“GasVoltaicbattery”atthattime).Fuelcellexteriorstructure电气工程专业导论157FuelcellasComputerpowersupply电气工程专业导论158

Maintypesoffuelcells:

Firstgeneration,alkalinefuelcell(AFC),highefficiencybutcostmuch;

Second,phosphoricacidfuelcell(PAFC),advanced andverypractical;

Third,moltencarbonatefuelcell(MCFC),higher efficiencythanPAFC,usedtogeneratestrong power;

Fourth,solidoxidefuelcell(SOFC),usedsolid electrolyte,avoidsthedangerofelectrolytescorrosionandleakage;

Fifth,protonexchangemembranefuelcell(PEMFC),closelyrelatedtohydrogenenergy;

Inrecently,thereappearedanewtypefuelcellcalledmicrobialfuelcell(MFC),largepower,smallsize,andhighefficiency.电气工程专业导论1599.FlywheelEnergyStorageSwitzerlandflywheelenergystoragetracktestvehiclein1955Flywheelenergystoragesystem电气工程专业导论160

Applications

Powergridpeakshaving

Electricvehiclesflywheelbattery

Flywheelenergystorage-regenerativebrakingsystem

Windpowergenerationsystem’suninterruptedpowersuppl