第六章电工新技术.

ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY汞在液氦附近电阻变化行为ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1986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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY•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“ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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）ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY•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17ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1、小型化、轻量化、大幅度拓宽了制作界限ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论202、效率的提高ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY300MW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ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论22图6-65MW船用高温超导推进电动机ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论23图6-75MW船用高温推进电动机结构图ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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）ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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）ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGYANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY•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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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）ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论31ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气工程专业导论32ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY•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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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。ANHUIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY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