6電氣工程概論章電工新技術(shù)

1、第六章 電工新技術(shù)一、 電工新技術(shù)的發(fā)展趨勢二、 超導(dǎo)電工技術(shù)三、 聚變電工技術(shù)四、 磁流體發(fā)電技術(shù)五、 磁流體推進技術(shù)六、 可再生能源發(fā)電七、 磁懸浮列車技術(shù)八、 燃料電池技術(shù)九、 飛輪儲能系統(tǒng)十、 脈沖功率技術(shù)十一、微機電系統(tǒng)1電氣工程專業(yè)導(dǎo)論新理論、新原理新材料新技術(shù)等離子體物理放電物理電磁流體力學(xué)直線電機超導(dǎo)材料永磁材料半導(dǎo)體材料微電子計算機放電應(yīng)用核聚變磁流體發(fā)電磁流體推進磁懸浮列車超導(dǎo)電工永磁電機與磁體光電應(yīng)用電力電子微電子專用設(shè)備數(shù)控與機電控制電工裝置CAD電磁場數(shù)值計算 基礎(chǔ)主要分支圖6-1 電工新技術(shù)的分類 一、電工新技術(shù)的發(fā)展趨勢2電氣工程專業(yè)導(dǎo)論二、超導(dǎo)電工技術(shù)圖6-2

2、液氦溫區(qū)低溫超導(dǎo)材料NbTi導(dǎo)線 3電氣工程專業(yè)導(dǎo)論二、超導(dǎo)電工技術(shù)（續(xù)）圖6-3 液氮溫區(qū)高溫超導(dǎo)材料Bi系帶材4電氣工程專業(yè)導(dǎo)論超導(dǎo)現(xiàn)象 1911年荷蘭科學(xué)家昂納斯（H. Kamerlingh Onnes）在測量低溫下水銀電阻率的時候發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到-269附近，水銀的電阻突然消失。 超導(dǎo)態(tài)的兩個基本性質(zhì)： 一是零電阻效應(yīng)； 二是完全抗磁性，又稱邁斯納（Meissner）效應(yīng)，即在磁場中超導(dǎo)體只要處于超導(dǎo)態(tài)，則它內(nèi)部產(chǎn)生的磁化強度與外磁場完全抵消，從而內(nèi)部的磁感應(yīng)強度為零，即磁力線完全被排斥在超導(dǎo)體外面。二、超導(dǎo)電工技術(shù)（續(xù)）5電氣工程專業(yè)導(dǎo)論二、超導(dǎo)電工技術(shù)（續(xù)）圖6-4 超導(dǎo)體的完全抗

3、磁性現(xiàn)象6電氣工程專業(yè)導(dǎo)論二、超導(dǎo)電工技術(shù)（續(xù)）2. 超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用 超導(dǎo)電機圖6-5 83MW超導(dǎo)發(fā)電機超導(dǎo)轉(zhuǎn)子（左）與試驗車間（日本）7電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-6 5MW船用高溫超導(dǎo)推進電動機8電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-7 5MW船用高溫推進電動機結(jié)構(gòu)圖9電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-8 300kW超導(dǎo)單極電動機（武漢712所等）圖6-9 由超導(dǎo)電動機作動力的吊艙式螺旋推進器（圖片來源：ABB公司）10電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 超導(dǎo)變壓器圖6-10 500kW, 6600/3300V高溫超導(dǎo)變壓器（日本）圖6-11 26kW高溫超導(dǎo)變壓器（中國科學(xué)院電工研究所等）11電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 超導(dǎo)輸電圖6-12 200

4、0A高溫超導(dǎo)電纜結(jié)構(gòu)云電英納超導(dǎo)電纜公司12電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-13 30m長、35kV、2kA高溫超導(dǎo)電纜云電英納超導(dǎo)電纜公司13電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 超導(dǎo)儲能圖6-14 超導(dǎo)儲能裝置的儲能線圈圖6-15 2 MJ超導(dǎo)儲能設(shè)備（德國）14電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 超導(dǎo)磁懸浮列車圖6-16 日本超導(dǎo)磁懸浮列車15電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 超導(dǎo)在電氣工程領(lǐng)域的其他應(yīng)用 超導(dǎo)電磁線圈：應(yīng)用于托克馬克裝置、磁流體發(fā)電機等； 超導(dǎo)磁懸浮軸承：無機械摩擦，穩(wěn)定好。 總之，超導(dǎo)電工已由最初的超導(dǎo)磁體技術(shù)擴展到了包括超 導(dǎo)電力應(yīng)用與強磁場應(yīng)用等領(lǐng)域，隨著低溫超導(dǎo)技術(shù)和高 溫超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是如果實現(xiàn)了臨界溫度達到 室

5、溫的實用超導(dǎo)體，將帶來革命性的改觀。 16電氣工程專業(yè)導(dǎo)論三、 聚變電工技術(shù) 與裂變反應(yīng)堆主要依靠核工技術(shù)與熱工技術(shù)的 結(jié)合而發(fā)展起來的歷史不同，聚變反應(yīng)堆的發(fā)展 主要依賴于核工技術(shù)與電工新技術(shù)的結(jié)合，因為 需要的關(guān)鍵技術(shù)超導(dǎo)技術(shù)、大體積強磁場技術(shù)、 大能量脈沖電源技術(shù)、輔助加熱技術(shù)、等離子體 控制技術(shù)都屬于電工新技術(shù)。 17電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-17 托克馬克裝置原理（環(huán)形核聚變反應(yīng)裝置）18電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-18 基于托克馬克的核聚變電站原理19電氣工程專業(yè)導(dǎo)論四 、磁流體發(fā)電技術(shù) 當(dāng)前，世界各國的電力主要來源仍舊是火力發(fā)電，但這種 發(fā)電方式的熱效率很低，最高只有40%。磁流體發(fā)電的熱

6、 效率可以從火力發(fā)電的30-40%提高到50-60%甚至更高。 磁流體發(fā)電是將高溫導(dǎo)電燃氣或液體與磁場相互作用而將 熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的新型發(fā)電方式。20電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-19 磁流體發(fā)電原理與試驗裝置（日本）21電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-20 磁流體發(fā)電用超導(dǎo)磁體（中國科學(xué)研究院電工研究所）22電氣工程專業(yè)導(dǎo)論五、磁流體推進技術(shù) 磁流體推進船圖6-21 日本超導(dǎo)磁流體推進船23電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 等離子磁流體航天推進器 （a） （b）圖6-22 等離子推進器（a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）“SMART-1 號”探測器等離子推進器的噴口24電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 風(fēng)力發(fā)電圖6-23 風(fēng)力發(fā)電站與電力系統(tǒng)并網(wǎng)六

7、、可再生能源發(fā)電25電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-24 海上風(fēng)力發(fā)電機正在安裝（丹麥）26電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 太陽能發(fā)電 主要有三種： 一是使太陽能直接轉(zhuǎn)變成熱能，即光熱轉(zhuǎn)換， 如太陽能熱水器； 二是使太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，即光電轉(zhuǎn)換， 如太陽能電池； 三是使太陽能直接轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，即光化學(xué)轉(zhuǎn)換， 如太陽能發(fā)電機。 1945年，美國貝爾電話實驗室制造除了世界上第一塊 實用的硅太陽能電池，開創(chuàng)了現(xiàn)代人類利用太陽能的 新紀(jì)元。27電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-25 太陽能發(fā)電的四種方式（a）槽型拋物面（b）菲涅耳透鏡（c）盤形拋物面-中心接受器（d）分布平面塔式接收器28電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-26太陽能熱發(fā)電站圖6

8、-27 塔式太陽能熱電站 原理示意圖29電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-28 太陽能光伏電池陣30電氣工程專業(yè)導(dǎo)論七、磁懸浮列車技術(shù) 超導(dǎo)長定子永磁長定子常導(dǎo)短定子常導(dǎo)長定子電動式長定子電磁式短定子電磁式長定子永磁式長定子圖6-29 磁懸浮列車分類31電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 日本超導(dǎo)磁懸浮列車圖6-30 日本超導(dǎo)磁懸浮列車 的轉(zhuǎn)向架圖6-31 日本超導(dǎo)磁懸浮列車 的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)32電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 德國常導(dǎo)磁懸浮列車Transrapid圖6-32 Transrapid原理33電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 日本常導(dǎo)磁懸浮列車HSST圖6-33 日本名古屋常導(dǎo)磁懸浮列車（Linimo）34電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 永磁磁懸浮列車圖6-3

9、4 德國柏林永磁半懸浮列車35電氣工程專業(yè)導(dǎo)論八、燃料電池技術(shù)燃料電池的雛形是1839年由英國科學(xué)家格羅夫（William Robert Grove，1811-1896）提出的（當(dāng)時稱為“氣體伏打電池”）。圖6-35 燃料電池的外部結(jié)構(gòu)圖36電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-36 為計算機供電的燃料電池37電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 第一代燃料電池，堿性燃料電池，效率最高，但成本昂貴； 第二代燃料電池，磷酸型燃料電池，技術(shù)先進，實用； 第三代燃料電池，熔融碳酸鹽型（MCFC）電池，效率比磷酸 型高，燃料也不僅僅限于氫氣，是一種大容量發(fā)電燃料 電池； 第四代燃料電池，固體電解質(zhì)型燃料電池（SOFV），性能優(yōu) 良，電解

10、是固體，因此免去了腐蝕和溢漏的危險； 第五代燃料電池，聚合物電解質(zhì)型薄膜燃料電池（PEMFC）， 與氫能源關(guān)系十分密切； 最近又出現(xiàn)了生物燃料電池，具有功率大，體積小，效率 高，成本低等優(yōu)點。38電氣工程專業(yè)導(dǎo)論九、飛輪儲能系統(tǒng)圖6-37 瑞士1955年試制的 飛輪儲能軌道試驗車圖6-38 飛輪儲能系統(tǒng)39電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 飛輪儲能的應(yīng)用 電力調(diào)峰 電動車輛飛輪電池 飛輪儲能-再生制動系統(tǒng) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不間斷供電 衛(wèi)星姿態(tài)控制 大功率脈沖放電電源 其他應(yīng)用40電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-39 電力系統(tǒng)中的飛輪儲能裝置 電力調(diào)峰41電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 電動車輛飛輪電池圖6-40 英國Bristol的新型

11、 純飛輪供電有軌車42電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 飛輪儲能-再生制動系統(tǒng)圖6-41 德國采用飛輪儲能裝置 的LIREX混合動力輕軌列車圖6-42 美國內(nèi)燃機發(fā)電機-飛輪 儲能混合動力公交車ATTB43電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-43 軌旁飛輪儲能再生制動系統(tǒng)44電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 衛(wèi)星姿態(tài)控制圖6-44 衛(wèi)星姿態(tài)控制用飛輪系統(tǒng)45電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 大功率脈沖放電電源圖6-45 航天飛機電磁發(fā)射示意圖46電氣工程專業(yè)導(dǎo)論十、脈沖功率技術(shù)脈沖功率技術(shù)的基礎(chǔ)是沖擊電壓發(fā)生器，也叫馬克斯發(fā)生器或沖擊機，是德國人馬克斯（E.Marx）在1924年發(fā)明的。圖6-46 馬克斯發(fā)生器47電氣工程專業(yè)導(dǎo)論目前，脈沖功率技術(shù)的發(fā)展

12、方向是提高功率水平，具體的主攻方向是：提高儲能密度，研制大功率和高重復(fù)率的轉(zhuǎn)換開關(guān)，向著高電壓、大電流、窄脈沖、高重復(fù)率的方向發(fā)展。脈沖功率技術(shù)的應(yīng)用： 強激光的研究 強脈沖X射線 核電磁脈沖 高功率微波武器電磁炮48電氣工程專業(yè)導(dǎo)論軌道炮線圈炮磁懸浮發(fā)射器 磁懸浮加速托架磁懸浮間隙電樞線圈 驅(qū)動線圈 電樞（等離子體）電流圖6-47 電磁發(fā)射裝置49電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-48 國外研制的電磁炮50電氣工程專業(yè)導(dǎo)論十一、微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)（Micro Electro-Mechanical Systems， MEMS），是融合了硅微加工、光刻鑄造成型和精密機械加工等多種微加工技術(shù)制作的集微型傳感

13、器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微米（10e-6m）尺寸微型機電系統(tǒng)。51電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-49 微機電系統(tǒng)電機和一根頭發(fā)的對比（顯微圖）圖6-50 微機電系統(tǒng)繼電器（放大圖）52電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-51 微機電系統(tǒng)陀螺儀53電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-52 封裝好的微機電系統(tǒng)產(chǎn)品54電氣工程專業(yè)導(dǎo)論圖6-52 微機電系統(tǒng)衛(wèi)星（概念圖） 55電氣工程專業(yè)導(dǎo)論謝謝!56電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Chapter 6 New Technology of electrotechnics 57電氣工程專業(yè)導(dǎo)論1. Developments of Electrotechnics1.

14、 Tendencies of Electrotechnics2. Superconductor Electrotechnics3. Nuclear Fusion Electrotechnics4. Magnetohydrodynamic Power Generation5. Magnetohydrodynamic Propulsion Technology6. Renewable Power Generation7. Magnetic Levitation Train8. Fuel Cells9. Flywheel Energy Storage Systems10. Pulsed Power

15、Technology11. Micro Electro-Mechanical Systems58電氣工程專業(yè)導(dǎo)論2. Superconductor ElectrotechnicsLiquid Helium region low temperature superconductive material NbTi wire 59電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Liquid Nitrogen region high temperature superconductive material - Bi series tapes60電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Superconducting Phenomenon A momento

16、us 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:

17、 high Tc superconductor Below Tc, superconducting materials exhibit two characteristic properties:Zero electrical resistance;Full diamagnetism (Meissner Effect). When the superconductor below its critical temperature，and a magnet is brought near to it, the inner magnetic field intensity of the super

18、conductor is completely expelled to zero, behaving as a full diamagnet.61電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Meissner EffectA superconductive disk on the bottom, cooled by liquid nitrogen, causes the magnet above to levitate. The floating magnet induces a current, and therefore a magnetic field,in the superconductor, and the

19、two magnetic fields repel to levitate the magnet.62電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Applications Superconducting motor83 MW superconducting rotor and its test plant (Japan)63電氣工程專業(yè)導(dǎo)論5MW HTS ship propulsion motor64電氣工程專業(yè)導(dǎo)論5MW HTS ship propulsion motor structures65電氣工程專業(yè)導(dǎo)論300kW superconducting homopolar motor（712 institute o

20、f Wu Han, China）Superconducting motor podded propeller66電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Superconducting transformer500kW, 6600/3300VJapan HTS transformer26kW HTS transformer (Institute of electrical engineering Chinese academy of science)67電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Superconducting power transmission 2000A HTS cableInnopower superconductor

21、 cable Co., Ltd., Beijing68電氣工程專業(yè)導(dǎo)論30m length、35kV、2kA HTS cables system69電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Superconducting magnetic energy storage (SMES)SMES coilGermany 2 MJ SMES70電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Superconducting magnetic levitating train (Maglev)Japan superconducting Maglev train71電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Applications in electrical engineering

22、Superconducting coil: Tokamak device, Magnetohydrodynamic Power Generation Superconducting Maglev bearing: No mechanical friction, Steady In short, superconducting electrotechnics has gained advanced development from superconducting magnet to superconducting power applications fields. With the devel

23、opment of LTS and HTS technology, some badly expected practical house Tc superconductors will be founded. Once this happens, the whole world of electronics, power and transportation will be revolutionized. 72電氣工程專業(yè)導(dǎo)論3. Nuclear fusion electrotechnicsIn contrast to nuclear fission reactor, which based

24、 on the integrating withNuclear and heat engineering technology, the combination with new technology of electrotechnics is the mainstream to research fusion reactor, such as superconducting, strong magnetic field, high pulsed power, assistant heating, plasma technology.73電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Principle of Tokamak

25、 device(Toroidal nuclear fusion device)Deuterium-Tritium-Helium 74電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Tokamak fusion reactor power plant75電氣工程專業(yè)導(dǎo)論4. Magnetohydrodynamic (MHD) Power Generation At present, the efficiency of coal-fired power generating is poor about 30-40 percent, while MHD power generation could reaches 50-60 pe

26、rcent or even higher. MHD power generation is that a new method to generate electric power from heat energy by interactions between hot gas or liquid and magnetic field.76電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Principle diagram of MHD power generator and test devices77電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Superconducting magnet of MHD power generator(Institut

27、e of electrical engineering Chinese academy of science)78電氣工程專業(yè)導(dǎo)論5. Magnetohydrodynamic Propulsion Technology Magnetohydrodynamic propulsion shipJapan superconducting MHD propulsion ship79電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Plasma Magnetohydrodynamic spaceflight propeller （a） （b）Plasma MHD propeller（a）Structure sketch map （b）

28、Propeller spout of “SMART-1” detector80電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Wind power generationWind power plant and grid connected6. Renewable Power Generation81電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Offshore wind power generation being installed（Denmark）82電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Solar power generation Three principles： 1）Photothermal conversion, using the sun to heat w

29、ater and produce steam to run electrical turbines, such as solar water heater; 2）Photoelectric conversion, converting solar energy to DC electricity, such as solar cells; 3）Photochemical conversion, chemical energy being generated from solar energy. Four methods to collect solar energy, showed in th

30、e figures as follows: 83電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Four methods of solar generation(a) Parabolic trough (b) Fresnel lens (c) Solar dishes (d) Solar power towers 84電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Solar thermal power stationSolar power tower sketch map85電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Solar photovoltaic arrays (PV arrays)86電氣工程專業(yè)導(dǎo)論7. Magnetic levitating train (Maglev

31、) technology 超導(dǎo)長定子永磁長定子常導(dǎo)短定子常導(dǎo)長定子電動式長定子電磁式短定子電磁式長定子永磁式長定子Maglev trains classification87電氣工程專業(yè)導(dǎo)論There are two types of Maglevs: ones that use like magnets which repel each other and ones that use opposing magnets that attract with each other. Ones that use repelling magnets are called Superconducting

32、 Maglevs, while Electromagnetic Maglevs use opposing magnets.How does a Maglev Train work?Each project is developing its own version of Maglev but the main difference rests on the way the magnetic field is generated. The German model and the Japanese HSST (High Speed Surface Transport) use Electroma

33、gnetic Suspension (EMS). China in its Shanghai Maglev uses German technology. EMS uses the attractive magnetic force of a magnet beneath a rail to lift the train up. The Yamanashi Maglev (Japan) and the projected Florida Maglev use Electrodynamic Suspension (EDS). EDS uses a repulsive force generate

34、d by the interaction between the magnetic fields in the train and the rail to push the train away from the track. The project in Los Angeles (Indutrack) uses Permanent Magnet EDS. 88電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Japan superconducting Maglev trainsSuperconducting Maglev bogieSuperconducting Maglev track89電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Germany

35、 normal-conducting maglev : TransrapidPrinciple of Transrapid90電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Japan normal-conducting HSST MaglevNormal conducting maglev-Linimo in Nagoya, JapanHSST: High Speed Surface Transport91電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Permanent Maglev (PM)Berlin permanent magnet half levitating train, Germany92電氣工程專業(yè)導(dǎo)論8. Fuel cellsBr

36、itish physicist William Robert Grove, 1811-1896, produced the first fuel cell in 1839 ( called “Gas Voltaic battery” at that time).Fuel cell exterior structure93電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Fuel cell as Computer power supply94電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Main types of fuel cells: First generation, alkaline fuel cell (AFC), high efficiency

37、but cost much; Second, phosphoric acid fuel cell (PAFC), advanced and very practical; Third, molten carbonate fuel cell (MCFC), higher efficiency than PAFC, used to generate strong power; Fourth, solid oxide fuel cell (SOFC), used solid electrolyte, avoids the danger of electrolytes corrosion and le

38、akage; Fifth, proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), closely related to hydrogen energy; In recently, there appeared a new type fuel cell called microbial fuel cell (MFC), large power, small size,and high efficiency.95電氣工程專業(yè)導(dǎo)論9. Flywheel Energy StorageSwitzerland flywheel energy storage track t

39、est vehicle in 1955Flywheel energy storage system96電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Applications Power grid peak shaving Electric vehicles flywheel battery Flywheel energy storage-regenerative braking system Wind power generation systems uninterrupted power supply Satellite attitude control Discharging pulsed high power su

40、pply Other applications97電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Flywheel energy storage device in power system Power grid peak shaving98電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Electric vehicles flywheel batteryBristol new tramcars with flywheel power supply99電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Flywheel energy storage-regenerative braking systemGermany hybrid power light rail train “LIRE

41、X” with flywheel energy storageAmerica internal combustion engine generatorflywheel energy storage hybrid public transit “ATTB”100電氣工程專業(yè)導(dǎo)論Flywheel energy storage-regenerative braking system beside the track101電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Satellite attitude controlFlywheel system of Satellite attitude control102電氣工程專業(yè)導(dǎo)論 Discharging pulsed high power suppl