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柔性電力技術第章電力系統(tǒng)的柔性化技術現(xiàn)在是1頁\一共有89頁\編輯于星期二課程內(nèi)容第一章電力系統(tǒng)的柔性化技術第二章電力變換電路與控制第三章發(fā)電領域的電力電子技術第四章直流輸電技術第五章輸電系統(tǒng)柔性并聯(lián)補償?shù)诹螺旊娤到y(tǒng)柔性串聯(lián)及混合補償?shù)谄哒氯嵝曰秒娕c負荷特性現(xiàn)在是2頁\一共有89頁\編輯于星期二第一章電力系統(tǒng)的柔性化技術第一節(jié):電力系統(tǒng)特點以及柔性化的必要性1柔性電力技術的定義:柔性和非柔性基于電力電子技術在電能的產(chǎn)生,輸送與應用各個環(huán)節(jié)對電能的質量進和形態(tài)進行快速、精確控制的技術。柔性電力技術實施的核心是電力電子技術。 提出者:美國電力科學研究院的學者NarainHingorani2電力系統(tǒng)的目標

(1)可控性好,形式多樣的發(fā)電系統(tǒng)。

(2)潮流可控,安全穩(wěn)定的輸電系統(tǒng)。

(3)模式多樣、質量可控的配電系統(tǒng)。

(4)調(diào)節(jié)性好、高效節(jié)能的用電系統(tǒng)?,F(xiàn)在是3頁\一共有89頁\編輯于星期二3傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構成與特點電力系統(tǒng)是為電能的產(chǎn)生、輸送、分配與應用而構建成的人工系統(tǒng)。依據(jù)電能的流程可劃分為發(fā)電、輸電、配電和用電四個組成部分。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的構成主要包括:發(fā)電機、變壓器、傳輸線、電纜、電容器組、直接實現(xiàn)電能轉換的用電設備及保護與控制設備。

現(xiàn)在是4頁\一共有89頁\編輯于星期二單機無窮大系統(tǒng),以空載電動勢和同步電抗表示的功角關系:現(xiàn)在是5頁\一共有89頁\編輯于星期二變壓器的有載調(diào)壓開關可具有調(diào)節(jié)高壓線路無功潮流的作用。(3)架空輸電線路

4個參數(shù):由導體電阻率引起的串聯(lián)電阻R,由相與地之間漏電流引起的并聯(lián)電導G,由導體周圍磁場引起的串聯(lián)電感L,由導體之間的電場引起的并聯(lián)電容C。現(xiàn)在是6頁\一共有89頁\編輯于星期二線路的功率傳輸特性(只考慮在功率傳輸分析中起主導作用的電感參數(shù))

缺點:改變潮流的局限性現(xiàn)在是7頁\一共有89頁\編輯于星期二(4)負荷

電壓、頻率調(diào)節(jié)特性較差,即負荷從系統(tǒng)取用的功率隨系統(tǒng)電壓、頻率的波動而發(fā)生變化.

這對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行往往是有利的,但對用電設備的穩(wěn)定運行則是不利的。

現(xiàn)在是8頁\一共有89頁\編輯于星期二(5)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在可控特性方面的主要特點:電能不平衡影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。各發(fā)電機組間必須嚴格保持同步。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡中的潮流只能由系統(tǒng)阻抗決定供電模式單一。電能質量控制主要以靜態(tài)調(diào)節(jié)為主。用電負荷電能利用調(diào)節(jié)性能較差,電能利用率較低?,F(xiàn)在是9頁\一共有89頁\編輯于星期二1.3柔性電力技術的概念、分類和應用示例1、發(fā)電領域中的柔性化技術1)可變速抽水儲能技術

(ASPS,AdjustableSpeedPumpstorage)2)風力發(fā)電中的雙饋感應發(fā)電技術

(DFIG,DoubleFeedInductionGenerator)3)太陽能發(fā)電中的功率調(diào)節(jié)技術

(PC,Powerconditioning)4)靜止勵磁系統(tǒng)

(SE,StaticExciting)5)新的發(fā)電方式現(xiàn)在是10頁\一共有89頁\編輯于星期二2、輸電環(huán)節(jié)的柔性化技術1)高壓直流輸電(HVDC,HighVoltageDC)2)靜止無功補償(SVC,StaticVarCompensator)又稱STATCOM3)靜止無功發(fā)生器(SVG,StaticVarGenerator)

4)可控串聯(lián)補償設備(TCSC:ThyristorControlledSeriesCompensator)5)統(tǒng)一潮流控制器(UPFCUniformPowerFlowController)6)大容量超導儲能系統(tǒng)。(SEMS,Super-ConductingMagneticEnergyStorage)7)靜止同步串聯(lián)補償器(SSSC,StaticSynchronousSeriesCompensator)現(xiàn)在是11頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是12頁\一共有89頁\編輯于星期二3、配電網(wǎng)中的柔性化技術。1)配網(wǎng)靜止無功補償器

(D-SVC,DistributionStaticVarCompensator)2)配網(wǎng)靜止無功補償發(fā)生器

(D-SVG,DistributionStaticVarGenerator)。3)有源電力濾波器(APF,ActivePowerFilter)4)固態(tài)斷路器(SCB,Solid-stateCircuitBreaker)5)輕型直流輸電.(HVDC-Light)。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器(DVR,DynamicVoltageRegulator)

配電系統(tǒng)用超導儲能(D-SMESDistribution-SMES)不間斷電源(UPS,UninterruptiblePowerSupply)

統(tǒng)一電能質量調(diào)節(jié)器(UPQR,UniformPowerQualityRegulator)現(xiàn)在是13頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是14頁\一共有89頁\編輯于星期二(4)用電設備的柔性化技術。1)電動機的變頻調(diào)速

(VFD,VariableFrequencyDrive)2)中頻感應加熱

(MFIH,MediumFrequencyInductionHeating)3)電力電子鎮(zhèn)流器

(EB,ElectronicBallast)

4)開關電源

(SMPS,SwitchModePowersupplies)現(xiàn)在是15頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是16頁\一共有89頁\編輯于星期二1.4電力電子器件的基本特性與發(fā)展1、按控制方式分類:(1)不可控器件。(2)半控器件。(3)全控器件。2、典型器件

(1)功率二極管現(xiàn)在是17頁\一共有89頁\編輯于星期二(2)晶閘管(3)光觸發(fā)晶閘管(LTT,Light-triggeredThyristor)?,F(xiàn)在是18頁\一共有89頁\編輯于星期二1)LTT不需要高電位邏輯電路和BOD保護觸發(fā)電路,因此采用LTT的SVC閥塔的元器件數(shù)量將減少近7000個,故障率將下降,可靠性將提高。2)LTT無須輔助電源以給與晶閘管等電位的觸發(fā)回路提供電源,所以交流系統(tǒng)電壓降和外部故障(如直流陷落)對LTT的影響很小。3)與晶閘管等電位的門極驅動單元取消后,模塊接線被簡化,局部放電和電磁干擾的可能性大為降低,設備投運后維護工作發(fā)生意外故障的可能性大為降低,LTT晶閘管閥塔可獲得更高的可靠性。4)將過電壓保護功能集成到LTT的晶閘管硅片之中,減少了對匹配特性的要求,使得保護具備對外界影響固有的安全特性。5)閥塔無須預充電即可啟動。缺點:LTT需很高的光靈敏度,以適應遠距離控制和長壽命發(fā)光管的實際要求。現(xiàn)在是19頁\一共有89頁\編輯于星期二(4)門極可關斷晶閘管(GTO)

GTO是目前阻斷電壓最高和通態(tài)電流最大的全控型器件。 既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點,以具有自關斷能力,使用方便,是理想的高壓、大電流開關器件。 缺點是驅動電路復雜并且驅動功率大,導致關斷時間長,限制了器件的開關頻率;關斷過程中的集膚效應容易導致局部過熱,嚴重情況下使器件失效;為了限制dv/dt,需要復雜的緩沖電路

GTO主要應用在中、大功率場合?,F(xiàn)在是20頁\一共有89頁\編輯于星期二(5)功率場效應管(PowerMOSFET)

功率場效應管屬于電壓控制型器件 優(yōu)點: 驅動電路簡單,需要的驅動功率??;開關速度快,高頻特性好,工作頻率高達100kHz以上。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 缺點: 電流容量小,耐壓低,通態(tài)壓降大,一般只適用于功率不超過10kW的場合。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。

現(xiàn)在是21頁\一共有89頁\編輯于星期二(6)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

IGBT是后起之秀,集MOSFET和GTR的優(yōu)點于一身,既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關速度快的優(yōu)點,又具有GTR耐壓高、流過電流大的優(yōu)點,是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。 柵極為電壓驅動,所需驅動功率小,開關損耗小、工作頻率高,不需緩沖電路,適用于較高頻率的場合。其主要缺點是高壓IGBT內(nèi)阻大,通態(tài)電壓高,導致導通損耗大;在應用于高(中)壓領域時,通常須多個串聯(lián)。

現(xiàn)在是22頁\一共有89頁\編輯于星期二TC3300型IGBT變流器現(xiàn)在是23頁\一共有89頁\編輯于星期二IGBT的導通電納比MOSFET小的多∴IGBT導通損耗比MOSFET小現(xiàn)在是24頁\一共有89頁\編輯于星期二(7)集成門極換流晶閘管(IGCT)

(IntegratedGateCommutatedThyristor)

IGCT是在克服GTO關斷能力差,重復關斷較大電流時容易產(chǎn)生局部過熱損壞等缺陷而發(fā)展起來的?,F(xiàn)在是25頁\一共有89頁\編輯于星期二4500v/1100AIGCT組件

4500v/4000a不對稱型igct組件現(xiàn)在是26頁\一共有89頁\編輯于星期二

IGCT是在GTO的基礎上發(fā)展起來的新型復合器件,兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點,又克服了兩者的不足之處,是一種較為理想的MW級的高(中)壓開關器件。 與MOSFET相比,IGCT通態(tài)電壓更低,承受電壓更高,通過電流更大;與GTO相比,通態(tài)電壓和開關損耗進一步降低,同時使觸發(fā)電流和通態(tài)時所需的門極電流大大減小,有效地提高了系統(tǒng)的開關速度?,F(xiàn)在是27頁\一共有89頁\編輯于星期二

電力電子技術的應用領域

變送領域

產(chǎn)業(yè)、交通領域

GTO

IGBT

MOSFET

晶閘管

100M

10M

1M

100k

10k

1k

100

10

100

1k

10k

100k

1M

控制容量(VA)

工作頻率(Hz)

信息處理領域

現(xiàn)在是28頁\一共有89頁\編輯于星期二010203040功率容量MVA1990198019702000年()晶片直徑(英寸)晶閘管2.5KV1KA(2)4KV1.5KA(3.5)12KV1KA(4)8KV4KA(6)GTO4.5KV2KA(2.5)4.5KV3KA(3)4.5KV4KA(3.5)6KV6KA(6)GCT4.5KV3KA(3.5)4.5KV4KA(4)6KV4KA(4)HVIGBT4.5KV0.9KA現(xiàn)在是29頁\一共有89頁\編輯于星期二晶閘管雙向晶閘管MOSFETGCTGTOIGBT(Discrete)IGBTMolduleIPM器件額定容量10k100M10M1M1k100k1001010工作頻率(HZ)1M10k100k1k100電力電子器件正朝著容量越來越大、頻率越來越高的方向發(fā)展?,F(xiàn)在是30頁\一共有89頁\編輯于星期二1.5儲能技術的現(xiàn)狀與發(fā)展1、水電站的開發(fā)方式一、壩式水電站

特點:水頭取決于壩高。引用流量較大等

1.河床式電站(powerstationinriverchannel)一般修建在河道中下游河道縱坡平緩的河段上,為避免大量淹沒,建低壩或閘。適用水頭:大中型:25米以下,小型:8~10米以下。2.壩后式水電站(powerstaionatdamtoe)當水頭較大時,廠房本身抵抗不了水的推力,將廠房移到壩后,由大壩擋水。壩后式水電站一般修建在河流的中上游。庫容較大,調(diào)節(jié)性能好。如為土壩,可修建河岸式電站?,F(xiàn)在是31頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是32頁\一共有89頁\編輯于星期二二、引水式水電站(diversiontypepowerstation)在河流坡降陡的河段上筑一低壩(或無壩)取水,通過人工修建的引水道(渠道、隧洞、管道)引水到河段下游,集中落差,再經(jīng)壓力管道引水到水輪機進行發(fā)電特點:(1)

水頭相對較高,目前最大水頭已達2000米以上。(2)引用流量較小,沒有水庫調(diào)節(jié)徑流,水量利用率較低,綜合利用價值較差。(3)電站庫容很小,基本無水庫淹沒損失,工程量較小,單位造價較低。類型:(1)無壓引水式(freeflow):引水道是無壓的(如明渠)(2)有壓引水式(pressureflow):引水道是有壓的(壓力隧洞)現(xiàn)在是33頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是34頁\一共有89頁\編輯于星期二三、混合式水電站(mixedpowerplant)在一個河段上,同時采用高壩和有壓引水道共同集中落差的開發(fā)方式稱為混合式開發(fā)。壩集中一部分落差后,再通過有壓引水道集中壩后河段上另一部分落差,形成了電站的總水頭。這種開發(fā)方式的水電站稱為混合式水電站。適用于上游有優(yōu)良壩址,適宜建庫,而緊接水庫以下河道突然變陡或河流有較大的轉彎。同時兼有壩式和引水式水電站的優(yōu)點。在工程時間中多稱為引水式,很少用混合式水電站這個名稱?,F(xiàn)在是35頁\一共有89頁\編輯于星期二14名游客被困永定河

門頭溝消防3小時生死大營救現(xiàn)在是36頁\一共有89頁\編輯于星期二 1、抽水蓄能技術: 利用電能與水力勢能相互轉換的蓄能技術,是目前國內(nèi)外各電力公司采用的一項大規(guī)模實用技術。抽水蓄能:系統(tǒng)負荷低時,利用系統(tǒng)多余的電能帶動泵站機組將下庫的水抽到上庫(電動機+水泵),以水的勢能形式貯存起來;放水發(fā)電:系統(tǒng)負荷高時,將上庫的水放下來推動水輪發(fā)電機組(水輪機+發(fā)電機)發(fā)電,以補充系統(tǒng)中電能的不足。

抽水蓄能的效率還較低,采用可變速技術后效率也只能達到75%左右。

四、抽水蓄能電站(pumpedstoragepowerstation)現(xiàn)在是37頁\一共有89頁\編輯于星期二抽水蓄能電站結構示意圖(a)縱斷面圖(b)平面圖現(xiàn)在是38頁\一共有89頁\編輯于星期二電站安裝常規(guī)水電機組1×150MW,抽水蓄能機組3×90MW,下池閘小電站安裝2×5MW水電機組。常規(guī)機組于1981年并網(wǎng)發(fā)電,首臺蓄能機組于1991年7月投入試運行,1992年12月全部機組投入運行。我國第一座大型混合式抽水蓄能電站。電動發(fā)電機采用可變極(42極、48極)雙速電機,在泵工況低水頭(小于45m)運用時由60MW變頻器驅動實現(xiàn)無極變頻變速運行,是當時國內(nèi)最大的靜止變頻器。

潘家口抽水蓄能電站現(xiàn)在是39頁\一共有89頁\編輯于星期二廣州抽水蓄能電站上水庫的資料照片1994年3月12日,中國建設的第一座大型抽水蓄能電站――廣州抽水蓄能電站一期工程完工,四臺機組全部投產(chǎn)。它也是當時世界規(guī)模最大的抽水蓄能電站。電站總裝機容量240萬千瓦,裝備8臺30萬千瓦具有水泵和發(fā)電雙向調(diào)節(jié)能力的機組。二期工程2000年全部投產(chǎn)。電站以500kV出線接入廣東電網(wǎng),一期出線兩回,二期出線三回,其中一回作兩期聯(lián)絡,對外共三回出線納入電網(wǎng),負責廣東、香港兩地電網(wǎng)的填谷、凋峰、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用以及配合大亞灣核電站和將要投產(chǎn)的嶺澳核電站的安全、經(jīng)濟運行?,F(xiàn)在是40頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是41頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是42頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是43頁\一共有89頁\編輯于星期二泰安抽水蓄能電站,位于山東省泰安市西郊,大河水庫北邊的山上。工程建設4×250兆瓦可逆式發(fā)電機組,計劃2006年12月30日竣工。機組投產(chǎn)后,對促進泰安地方經(jīng)濟發(fā)展,改善山東電網(wǎng)布局,提高電網(wǎng)運行水平都有重要意義。

現(xiàn)在是44頁\一共有89頁\編輯于星期二五、

潮汐電站(tidalenergypowerstation)潮汐:潮汐現(xiàn)象是海水因受日月引力而產(chǎn)生的周期性升降運動,即海水的潮漲潮落。世界海洋潮汐能蘊藏量約為27億kW,若全部轉換成電能,每年發(fā)電量大約為1.2萬kW.h。潮汐發(fā)電與原理:利用潮水漲、落產(chǎn)生的水位差所具有勢能來發(fā)電的,也就是把海水漲、落潮的能量變?yōu)闄C械能,再把機械能轉變?yōu)殡娔埽òl(fā)電)的過程?,F(xiàn)在是45頁\一共有89頁\編輯于星期二2009年1月7日拍攝的溫嶺江廈潮汐試驗電站發(fā)電機房

現(xiàn)在是46頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是47頁\一共有89頁\編輯于星期二全國大中型水電站分布圖現(xiàn)在是48頁\一共有89頁\編輯于星期二長江流域大中型水電站分布圖現(xiàn)在是49頁\一共有89頁\編輯于星期二2、飛輪蓄能

原理:利用旋轉物體所具有的動能存儲能量。平均效率在85%以上飛輪電池比能呈可達150W·h/kg,比功率達5000-10000W/kg,使用壽命長達25年,可供電動汽車行駛500萬公里現(xiàn)在是50頁\一共有89頁\編輯于星期二150WH飛輪電池的照片1994年,美國阿貢(ANL)國家實驗室用碳纖維試制一個儲能飛輪:直徑38厘米,質量為11千克,采用超導磁懸浮,飛輪線速度達1000米/秒。它儲的能量可將10個100瓦燈泡點燃2~5小時。目前正在開發(fā)儲能達5000千瓦小時的儲能飛輪。一個發(fā)電功率為100萬千瓦的電廠,約需這樣的儲能輪200個。日本曾利用飛輪“比功率”高的特性設計了一個引發(fā)可控熱核聚變的裝置。該裝置的飛輪直徑達6.45米,高1米,重255噸。它所儲存的能量與掛有150個車廂的列車以100千米/小時的速度行駛時所具有的能量相當。故將這些能量在極短時間釋放出來足以引發(fā)核聚變。1992年美國飛輪系統(tǒng)公司(AFS)開發(fā)了汽車用機-電電池(EMB),每個質量為23千克。電池的核心是一個以20萬轉/分旋轉的碳纖飛輪,每個電池儲能為1千瓦時,它們將12個“電池”放在IMPACT轎車上,能使該車以100千米/小時的速度行駛480千米。機-電電池共重273千克,若采用鉛酸電池,則共重396千克。機-電電池所儲的能量為鉛酸電池的2.5倍,使用壽命是鉛酸電池的8倍,且它的“比功率”(即爆發(fā)力)極高,是鉛酸電池的25倍,是汽油發(fā)動機的10倍,它可將該車在8秒鐘內(nèi)由靜止加速至100千米/小時。

現(xiàn)在是51頁\一共有89頁\編輯于星期二軌道交通儲能:應用在倫敦、紐約地鐵的磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)作為蓄能系統(tǒng)飛輪儲能系統(tǒng)在風力發(fā)電系統(tǒng)的應用現(xiàn)在是52頁\一共有89頁\編輯于星期二核聚變試驗裝置電源用飛輪儲能系統(tǒng)飛輪儲能系統(tǒng)在小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的應用現(xiàn)在是53頁\一共有89頁\編輯于星期二3、電池蓄能技術電池蓄能技術是將電能轉化為化學能存儲、使用時再將化學能轉化為電能的蓄能技術。這種電池可以實現(xiàn)電能與化學能的多次反復轉化,有別于只一次性實現(xiàn)從化學能到電能轉化的一次電池(不可充電電池),用于蓄能的電池稱為二次電池(可充電電池)。由于直接轉化為化學能的電能只能是直流形式,因而交直流變換器是這種蓄能系統(tǒng)的重要組成部分?,F(xiàn)在是54頁\一共有89頁\編輯于星期二電池組合方式與系統(tǒng)的連接現(xiàn)在是55頁\一共有89頁\編輯于星期二特點:(1)效率高、噪音低、污染小。(2)具有良好的效率及出力特性。(3)暫態(tài)特性好,負荷追隨性能強。(4)有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠供電。(5)系統(tǒng)較為復雜。(6)使都市設施安全管理復雜化。種類:NaS電池鋅-氯電池鋅溴電池RF(Redoxflow)現(xiàn)在是56頁\一共有89頁\編輯于星期二4、超導蓄能技術

超導蓄能(SMES:Super-ConductingMagneticEnergyStorage)是利用電流在處于超導狀態(tài)的線圈中流通,以磁場形式存儲電能的方式。

超導線圈儲能(SMES)的原理

現(xiàn)在是57頁\一共有89頁\編輯于星期二

1908年,荷蘭物理學家昂納斯首次成功地把稱為“永久氣體”的氦液化,因而獲得4.2K的低溫源,為超導發(fā)現(xiàn)準備了條件。三年后即1911年,在測試純金屬電阻率的低溫特性時,昂納斯又發(fā)現(xiàn),汞的直流電阻在4.2K時突然消失,多次精密測量表明,汞柱兩端壓降為零,他認為這時汞進入了一種以零阻值為特征的新物態(tài),并稱為“超導態(tài)”。昂納斯在1911年12月28日宣布了這一發(fā)現(xiàn)。但此時他還沒有看出這一現(xiàn)象的普遍意義,僅僅當成是有關水銀的特殊現(xiàn)象。超導的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在是58頁\一共有89頁\編輯于星期二5.4能量控制型并聯(lián)補償超導磁體儲能系統(tǒng)SMES1、SMES概述

1911年,荷蘭萊頓大學的卡茂林-昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn),將汞冷卻到-268.98°C(4.2K)時,汞的電阻突然消失;后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性,由于它的特殊導電性能,卡茂林-昂尼斯稱之為超導態(tài)??钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎。

現(xiàn)在是59頁\一共有89頁\編輯于星期二荷蘭物理學家昂納斯

(HeikeKamerlinghOnnes)

卡末林·昂尼斯(KamerlinghOnnes)低溫物理學家1853年9月21日生于荷蘭的格羅寧根,1926年2月21日卒于荷蘭的萊頓.因制成液氦和發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象象1913年獲諾貝爾物理學獎.現(xiàn)在是60頁\一共有89頁\編輯于星期二金屬Hg電阻隨溫度變化規(guī)律

如圖所示橫坐標表示溫度,縱坐標表示在該溫度下汞的電阻與0℃時汞的電阻之比:R/R0

R0:

T=273K的電阻現(xiàn)在是61頁\一共有89頁\編輯于星期二超導體的分類

在常壓下具有超導電性的元素金屬有32種(如圖元素周期表中青色方框所示),而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導電性的元素金屬有14種(如圖元素周期表中綠色方框所示)

現(xiàn)在是62頁\一共有89頁\編輯于星期二重要物理參數(shù)

臨界溫度(Tc):

超導體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟扰R界電流(Ic):超導體無阻載流的能力是有限的,當通過超導體中的電流達到某一特定值時,又會重新出現(xiàn)電阻,使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界電流

臨界磁場(Hc):逐漸增大磁場到達一定值后,超導體會從超導態(tài)變?yōu)檎B(tài),把破壞超導電性所需的最小磁場現(xiàn)在是63頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是64頁\一共有89頁\編輯于星期二三、超導體的物理特性

(1)零電阻現(xiàn)象(ZeroResistance)T>Tc在超導環(huán)上加磁場

(b)T<Tc圓環(huán)轉變?yōu)槌瑢B(tài)(c)突然撤去外電場,超導環(huán)中產(chǎn)生持續(xù)電流

現(xiàn)在是65頁\一共有89頁\編輯于星期二

(2)邁斯納效應邁斯納效應又叫完全抗磁性,1933年邁斯納發(fā)現(xiàn),超導體一旦進入超導狀態(tài),體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外,磁感應強度恒為零,且不論對導體是先降溫后加磁場,還是先加磁場后降溫,只要進入超導狀態(tài),超導體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場加場S注:S表示超導態(tài)N表示正常態(tài)三、超導體的物理特性

現(xiàn)在是66頁\一共有89頁\編輯于星期二

在錫盤上放一條永久磁鐵,當溫度低于錫的轉變溫度時,小磁鐵會離開錫盤飄然升起,升至一定距離后,便懸空不動了,這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導體,在錫盤感應出持續(xù)電流的磁場,與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力,磁體越遠離錫盤,斥力越小,當斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時,就懸浮不動了。邁納斯效應的磁懸浮試驗現(xiàn)在是67頁\一共有89頁\編輯于星期二這種情況就象是在超導盤下方,有一塊相同的鏡象磁鐵存在一樣。根據(jù)這種原理,可以利用超導體做成無摩擦軸承、高精度的導航用超導陀螺儀以及磁懸浮列車等?,F(xiàn)在是68頁\一共有89頁\編輯于星期二

1986年4月,喬治·柏諾茲(J.GeorgBednorz,1950-,瑞士)和卡爾·繆勒(KarlA.Muller,1927-,德國)向德國《物理雜志》提交了題為“Ba-La-Cu-O系統(tǒng)中可能的高Tc超導電性”的論文。后來,日本東京大學的幾位學者根據(jù)他們的配方復制了類似的樣品,證實鋇鑭銅氧化物具有完全抗磁性。Tc提高到了33K。

柏諾茲和繆勒的發(fā)現(xiàn)使人類從基本探索和認識超導電性跨越到超導技術開發(fā)時代。

柏諾茲和繆勒因發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧系統(tǒng)中的高Tc超導電性,共同分享了1987年度諾貝爾物理學獎。高溫超導現(xiàn)在是69頁\一共有89頁\編輯于星期二

把1986年4月以后發(fā)現(xiàn)的較高溫度下的超導體稱為高溫超導。高溫超導材料都是陶瓷一類氧化物,其超導機理與低溫下的金屬或合金超導有很大不同。

1987年2月24日中國科學院宣布,趙忠賢領導的科研組已將釔鋇銅氧

(Y-Ba-Cu-O)材料的Tc提高到了92.8

K以上,從而實現(xiàn)了轉變溫度在液氮溫區(qū)的突破。液氮的沸點為77.3K,價格比液氦便宜100

倍,冷卻效率高63

倍,且氮又是十分安全的氣體,故大大擴展了超導的應用前景?,F(xiàn)在是70頁\一共有89頁\編輯于星期二五、超導技術的應用

(1)在電力工程方面的應用

圖1超導導線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維)

超導輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗,因而可節(jié)省大量能源;用超導線圈儲存能量在軍事上有重大應用,超導線圈用于發(fā)電機和電動機可以大大提高工作效率、降低損耗,從而導致電工領域的重大變革.現(xiàn)在是71頁\一共有89頁\編輯于星期二熱絕緣超導電纜的基本結構,從內(nèi)到外依次為:管狀支撐物(一般為波紋管,內(nèi)通液氮);超導導體層(超導帶材分層繞制);熱絕緣層(真空隔熱套件);常規(guī)電氣絕緣層(工作在常溫下);電纜屏蔽層和護層(與常規(guī)電力電纜類似)?,F(xiàn)在是72頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是73頁\一共有89頁\編輯于星期二超導儲能裝置

超導儲能裝置是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來,需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負載的一種電力設施。一般由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統(tǒng)幾個部件組成。其中超導線圈是超導儲能裝置的核心部件,它可以是一個螺旋管線圈或是環(huán)形線圈

現(xiàn)在是74頁\一共有89頁\編輯于星期二超導發(fā)電機

在電力領域,利用超導線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬~6萬高斯,并且?guī)缀鯖]有能量損失,這種發(fā)電機便是交流超導發(fā)電機。超導發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高5~10倍,達1萬兆瓦,而體積卻減少1/2,整機重量減輕1/3,發(fā)電效率提高50%

現(xiàn)在是75頁\一共有89頁\編輯于星期二超導限流器

超導限流器是利用超導體的超導/正常態(tài)轉變特性,有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流,能夠快速和有效地達到限流作用的一種電力設備。超導限流器集檢測、觸發(fā)和限流于一體,反應速度快,正常運行時的損耗很低,能自動復位,克服了常規(guī)熔斷器只能使用一次的缺點?,F(xiàn)在是76頁\一共有89頁\編輯于星期二現(xiàn)在是77頁\一共有89頁\編輯于星期二高溫超導飛輪儲能器

25kJ超導儲能用磁體現(xiàn)在是78頁\一共有89頁\編輯于星期二日本超導磁懸浮列車MAGLEV

高溫超導磁懸浮實驗車“世紀號”

(2)超導技術在交通運輸方面的應用現(xiàn)在是79頁\一共有89頁\編輯于星期二(3)超導技術在電子工程方面的應用

用超導技術制成各種儀器,具有靈敏度高、噪聲低、反應快、損耗小等特點,如用超導量子干涉儀可確定地熱、石油、各種礦藏的位置和儲量,并可用于地震預報

超導量子干涉儀

現(xiàn)在是80頁\一共有89頁\編輯于星期二超導數(shù)字電路

超導數(shù)字電路利用約瑟夫森結在零電壓態(tài)和能隙電壓態(tài)之間的快速轉換來實現(xiàn)二元信息。應用約瑟夫森效應的器件可以制成開關元件,其開關速度可達10-11秒左右的數(shù)量級,比半導體集成電路快100倍,但功耗卻要低1000倍左右,為制造亞納秒電子計算機提供了一個途徑現(xiàn)在是81頁\一共有89頁\編輯于星期二2、SMES的工作原理 超導線圈可以承載大電流而無功率損耗,因而可用以存儲大量磁能。當電力系統(tǒng)發(fā)電機的發(fā)電容量大于負載用電量時,可利用發(fā)電機的剩余功率對超導儲能系統(tǒng)供電,將

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