电气工程概论_第六章_电工新技术课件
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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
一、电工新技术的发展趋势
新理论、新原理 基
放等 电 直 电离 磁 线
图6-18 基于托克马克的核聚变电站原理
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。
图6-35 燃料电池的外部结构图
图6-36 为计算机供电的燃料电池
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。
备制
算
图6-1 电工新技术的分类
二、超导电工技术
图6-2 液氦温区低温超导材料——NbTi导线
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
二、超导电工技术（续）
1. 超导现象 2. 1911年荷兰科学家昂纳斯（H. Kamerlingh Onnes）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。
二、超导电工技术（续） 2. 超导技术的应用
➢ 超导电机
图6-5 83MW超导发电机超导转子（左）与试验车间（日本）
图6-6 5MW船用高温超导推进电动机
图6-7 5MW船用高温推进电动机结构图
图6-8 300kW超导单极电动机 （武汉712所等）
wk.baidu.com
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）
➢ 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）
➢ 永磁磁悬浮列车
图6-34 德国柏林永磁半悬浮列车
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 （William Robert Grove，1811-1896）提出 的（当时称为“气体伏打电池”）。
➢ 超导储能
图6-14 超导储能装置的储能线圈 图6-15 2 MJ超导储能设备 （德国）
➢ 超导磁悬浮列车 图6-16 日本超导磁悬浮列车
➢ 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。
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。
图6-17 托克马克装置原理 （环形核聚变反应装置）
七、磁悬浮列车技术
电动式 长定子
永磁式 长定子
电磁式 短定子
电磁式 长定子
超导长定子
永磁长定子
常导短定子
图6-29 磁悬浮列车分类
常导长定子
➢ 日本超导磁悬浮列车
图6-30 日本超导磁悬浮列车 图6-31 日本超导磁悬浮列车
的转向架
的导轨结构
➢ 德国常导磁悬浮列车Transrapid
图6-32 Transrapid原理
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。
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
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
图6-28 太阳能光伏电池阵
➢ 超导变压器 图6-10 500kW, 6600/3300V 图6-11 26kW高温超导变压器 高温超导变压器（日本） （中国科学院电工研究所等）
➢ 超导输电
图6-12 2000A高温超导电缆结构 云电英纳超导电缆公司
图6-13 30m长、35kV、2kA高温超导电缆 云电英纳超导电缆公司
六、可再生能源发电 ➢ 风力发电
图6-23 风力发电站与电力系统并网
图6-24 海上风力发电机正在安装（丹麦）
➢ 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。
础 物子 流 电
理体 体 机 物力 理学
新材料
超永半 导磁导 材材体 料料材
料
新技术
微计 电算 子机
主 放核磁 磁磁
要 电聚流 流悬
分 应变体 体浮
支用
发 推列 电 进车
超 永磁 光 电
导 电机 电 力
电 工
与磁 体
应 用
电 子
微 电 数 控 电工 电 磁
子 专 与 机 装置 场 数
用 设 电控 CAD 值 计
3. 超导态的两个基本性质：
4. 一是零电阻效应； 5. 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）
图6-4 超导体的完全抗磁性现象
图6-19 磁流体发电原理与试验装置（日本）
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）
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
➢ 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
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
一、电工新技术的发展趋势
新理论、新原理 基
放等 电 直 电离 磁 线
图6-18 基于托克马克的核聚变电站原理
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。
图6-35 燃料电池的外部结构图
图6-36 为计算机供电的燃料电池
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。
备制
算
图6-1 电工新技术的分类
二、超导电工技术
图6-2 液氦温区低温超导材料——NbTi导线
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
二、超导电工技术（续）
1. 超导现象 2. 1911年荷兰科学家昂纳斯（H. Kamerlingh Onnes）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。
二、超导电工技术（续） 2. 超导技术的应用
➢ 超导电机
图6-5 83MW超导发电机超导转子（左）与试验车间（日本）
图6-6 5MW船用高温超导推进电动机
图6-7 5MW船用高温推进电动机结构图
图6-8 300kW超导单极电动机 （武汉712所等）
wk.baidu.com
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）
➢ 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）
➢ 永磁磁悬浮列车
图6-34 德国柏林永磁半悬浮列车
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 （William Robert Grove，1811-1896）提出 的（当时称为“气体伏打电池”）。
➢ 超导储能
图6-14 超导储能装置的储能线圈 图6-15 2 MJ超导储能设备 （德国）
➢ 超导磁悬浮列车 图6-16 日本超导磁悬浮列车
➢ 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。
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。
图6-17 托克马克装置原理 （环形核聚变反应装置）
七、磁悬浮列车技术
电动式 长定子
永磁式 长定子
电磁式 短定子
电磁式 长定子
超导长定子
永磁长定子
常导短定子
图6-29 磁悬浮列车分类
常导长定子
➢ 日本超导磁悬浮列车
图6-30 日本超导磁悬浮列车 图6-31 日本超导磁悬浮列车
的转向架
的导轨结构
➢ 德国常导磁悬浮列车Transrapid
图6-32 Transrapid原理
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。
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
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
图6-28 太阳能光伏电池阵
➢ 超导变压器 图6-10 500kW, 6600/3300V 图6-11 26kW高温超导变压器 高温超导变压器（日本） （中国科学院电工研究所等）
➢ 超导输电
图6-12 2000A高温超导电缆结构 云电英纳超导电缆公司
图6-13 30m长、35kV、2kA高温超导电缆 云电英纳超导电缆公司
六、可再生能源发电 ➢ 风力发电
图6-23 风力发电站与电力系统并网
图6-24 海上风力发电机正在安装（丹麦）
➢ 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。
础 物子 流 电
理体 体 机 物力 理学
新材料
超永半 导磁导 材材体 料料材
料
新技术
微计 电算 子机
主 放核磁 磁磁
要 电聚流 流悬
分 应变体 体浮
支用
发 推列 电 进车
超 永磁 光 电
导 电机 电 力
电 工
与磁 体
应 用
电 子
微 电 数 控 电工 电 磁
子 专 与 机 装置 场 数
用 设 电控 CAD 值 计
3. 超导态的两个基本性质：
4. 一是零电阻效应； 5. 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）
图6-4 超导体的完全抗磁性现象
图6-19 磁流体发电原理与试验装置（日本）
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）
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
➢ 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