1、第六章 電工新技術一、 電工新技術的發展趨勢二、 超導電工技術三、 聚變電工技術四、 磁流體發電技術五、 磁流體推進技術六、 可再生能源發電七、 磁懸浮列車技術八、 燃料電池技術九、 飛輪儲能系統十、 脈沖功率技術十一、微機電系統1電氣工程專業導論新理論、新原理新材料新技術等離子體物理放電物理電磁流體力學直線電機超導材料永磁材料半導體材料微電子計算機放電應用核聚變磁流體發電磁流體推進磁懸浮列車超導電工永磁電機與磁體光電應用電力電子微電子專用設備數控與機電控制電工裝置CAD電磁場數值計算 基礎主要分支圖6-1 電工新技術的分類 一、電工新技術的發展趨勢2電氣工程專業導論二、超導電工技術圖6-2

2、液氦溫區低溫超導材料NbTi導線 3電氣工程專業導論二、超導電工技術（續）圖6-3 液氮溫區高溫超導材料Bi系帶材4電氣工程專業導論超導現象 1911年荷蘭科學家昂納斯（H. Kamerlingh Onnes）在測量低溫下水銀電阻率的時候發現，當溫度降到-269附近，水銀的電阻突然消失。 超導態的兩個基本性質： 一是零電阻效應； 二是完全抗磁性，又稱邁斯納（Meissner）效應，即在磁場中超導體只要處于超導態，則它內部產生的磁化強度與外磁場完全抵消，從而內部的磁感應強度為零，即磁力線完全被排斥在超導體外面。二、超導電工技術（續）5電氣工程專業導論二、超導電工技術（續）圖6-4 超導體的完全抗

3、磁性現象6電氣工程專業導論二、超導電工技術（續）2. 超導技術的應用 超導電機圖6-5 83MW超導發電機超導轉子（左）與試驗車間（日本）7電氣工程專業導論圖6-6 5MW船用高溫超導推進電動機8電氣工程專業導論圖6-7 5MW船用高溫推進電動機結構圖9電氣工程專業導論圖6-8 300kW超導單極電動機（武漢712所等）圖6-9 由超導電動機作動力的吊艙式螺旋推進器（圖片來源：ABB公司）10電氣工程專業導論 超導變壓器圖6-10 500kW, 6600/3300V高溫超導變壓器（日本）圖6-11 26kW高溫超導變壓器（中國科學院電工研究所等）11電氣工程專業導論 超導輸電圖6-12 200

4、0A高溫超導電纜結構云電英納超導電纜公司12電氣工程專業導論圖6-13 30m長、35kV、2kA高溫超導電纜云電英納超導電纜公司13電氣工程專業導論 超導儲能圖6-14 超導儲能裝置的儲能線圈圖6-15 2 MJ超導儲能設備（德國）14電氣工程專業導論 超導磁懸浮列車圖6-16 日本超導磁懸浮列車15電氣工程專業導論 超導在電氣工程領域的其他應用 超導電磁線圈：應用于托克馬克裝置、磁流體發電機等； 超導磁懸浮軸承：無機械摩擦，穩定好。 總之，超導電工已由最初的超導磁體技術擴展到了包括超 導電力應用與強磁場應用等領域，隨著低溫超導技術和高 溫超導技術的不斷發展，特別是如果實現了臨界溫度達到 室

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

6、 效率可以從火力發電的30-40%提高到50-60%甚至更高。 磁流體發電是將高溫導電燃氣或液體與磁場相互作用而將 熱能直接轉化為電能的新型發電方式。20電氣工程專業導論圖6-19 磁流體發電原理與試驗裝置（日本）21電氣工程專業導論圖6-20 磁流體發電用超導磁體（中國科學研究院電工研究所）22電氣工程專業導論五、磁流體推進技術 磁流體推進船圖6-21 日本超導磁流體推進船23電氣工程專業導論 等離子磁流體航天推進器 （a） （b）圖6-22 等離子推進器（a）結構示意圖 （b）“SMART-1 號”探測器等離子推進器的噴口24電氣工程專業導論 風力發電圖6-23 風力發電站與電力系統并網六

7、、可再生能源發電25電氣工程專業導論圖6-24 海上風力發電機正在安裝（丹麥）26電氣工程專業導論 太陽能發電 主要有三種： 一是使太陽能直接轉變成熱能，即光熱轉換， 如太陽能熱水器； 二是使太陽能直接轉換成電能，即光電轉換， 如太陽能電池； 三是使太陽能直接轉變成化學能，即光化學轉換， 如太陽能發電機。 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，開創了現代人類利用太陽能的 新紀元。27電氣工程專業導論圖6-25 太陽能發電的四種方式（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電氣工程專業導論圖6-26太陽能熱發電站圖6

8、-27 塔式太陽能熱電站 原理示意圖29電氣工程專業導論圖6-28 太陽能光伏電池陣30電氣工程專業導論七、磁懸浮列車技術 超導長定子永磁長定子常導短定子常導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電氣工程專業導論 日本超導磁懸浮列車圖6-30 日本超導磁懸浮列車 的轉向架圖6-31 日本超導磁懸浮列車 的導軌結構32電氣工程專業導論 德國常導磁懸浮列車Transrapid圖6-32 Transrapid原理33電氣工程專業導論 日本常導磁懸浮列車HSST圖6-33 日本名古屋常導磁懸浮列車（Linimo）34電氣工程專業導論 永磁磁懸浮列車圖6-3

9、4 德國柏林永磁半懸浮列車35電氣工程專業導論八、燃料電池技術燃料電池的雛形是1839年由英國科學家格羅夫（William Robert Grove，1811-1896）提出的（當時稱為“氣體伏打電池”）。圖6-35 燃料電池的外部結構圖36電氣工程專業導論圖6-36 為計算機供電的燃料電池37電氣工程專業導論 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，是一種大容量發電燃料 電池； 第四代燃料電池，固體電解質型燃料電池（SOFV），性能優 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，聚合物電解質型薄膜燃料電池（PEMFC）， 與氫能源關系十分密切； 最近又出現了生物燃料電池，具有功率大，體積小，效率 高，成本低等優點。38電氣工程專業導論九、飛輪儲能系統圖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39電氣工程專業導論 飛輪儲能的應用 電力調峰 電動車輛飛輪電池 飛輪儲能-再生制動系統 風力發電系統不間斷供電 衛星姿態控制 大功率脈沖放電電源 其他應用40電氣工程專業導論圖6-39 電力系統中的飛輪儲能裝置 電力調峰41電氣工程專業導論 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電氣工程專業導論 飛輪儲能-再生制動系統圖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 美國內燃機發電機-飛輪 儲能混合動力公交車ATTB43電氣工程專業導論圖6-43 軌旁飛輪儲能再生制動系統44電氣工程專業導論 衛星姿態控制圖6-44 衛星姿態控制用飛輪系統45電氣工程專業導論 大功率脈沖放電電源圖6-45 航天飛機電磁發射示意圖46電氣工程專業導論十、脈沖功率技術脈沖功率技術的基礎是沖擊電壓發生器，也叫馬克斯發生器或沖擊機，是德國人馬克斯（E.Marx）在1924年發明的。圖6-46 馬克斯發生器47電氣工程專業導論目前，脈沖功率技術的發展

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率的轉換開關，向著高電壓、大電流、窄脈沖、高重復率的方向發展。脈沖功率技術的應用： 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電氣工程專業導論軌道炮線圈炮磁懸浮發射器 磁懸浮加速托架磁懸浮間隙電樞線圈 驅動線圈 電樞（等離子體）電流圖6-47 電磁發射裝置49電氣工程專業導論圖6-48 國外研制的電磁炮50電氣工程專業導論十一、微機電系統微機電系統（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制作的集微型傳感

13、器、微型執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。51電氣工程專業導論圖6-49 微機電系統電機和一根頭發的對比（顯微圖）圖6-50 微機電系統繼電器（放大圖）52電氣工程專業導論圖6-51 微機電系統陀螺儀53電氣工程專業導論圖6-52 封裝好的微機電系統產品54電氣工程專業導論圖6-52 微機電系統衛星（概念圖） 55電氣工程專業導論謝謝!56電氣工程專業導論Chapter 6 New Technology of electrotechnics 57電氣工程專業導論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電氣工程專業導論2. Superconductor ElectrotechnicsLiquid Helium region low temperature superconductive material NbTi wire 59電氣工程專業導論Liquid Nitrogen region high temperature superconductive material - Bi series tapes60電氣工程專業導論 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電氣工程專業導論 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電氣工程專業導論 Applications Superconducting motor83 MW superconducting rotor and its test plant (Japan)63電氣工程專業導論5MW HTS ship propulsion motor64電氣工程專業導論5MW HTS ship propulsion motor structures65電氣工程專業導論300kW superconducting homopolar motor（712 institute o

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

21、 cable Co., Ltd., Beijing68電氣工程專業導論30m length、35kV、2kA HTS cables system69電氣工程專業導論 Superconducting magnetic energy storage (SMES)SMES coilGermany 2 MJ SMES70電氣工程專業導論 Superconducting magnetic levitating train (Maglev)Japan superconducting Maglev train71電氣工程專業導論 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電氣工程專業導論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電氣工程專業導論Principle of Tokamak

25、 device(Toroidal nuclear fusion device)Deuterium-Tritium-Helium 74電氣工程專業導論Tokamak fusion reactor power plant75電氣工程專業導論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電氣工程專業導論Principle diagram of MHD power generator and test devices77電氣工程專業導論Superconducting magnet of MHD power generator(Institut

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

28、Propeller spout of “SMART-1” detector80電氣工程專業導論 Wind power generationWind power plant and grid connected6. Renewable Power Generation81電氣工程專業導論Offshore wind power generation being installed（Denmark）82電氣工程專業導論 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電氣工程專業導論Four methods of solar generation(a) Parabolic trough (b) Fresnel lens (c) Solar dishes (d) Solar power towers 84電氣工程專業導論Solar thermal power stationSolar power tower sketch map85電氣工程專業導論Solar photovoltaic arrays (PV arrays)86電氣工程專業導論7. Magnetic levitating train (Maglev

31、) technology 超導長定子永磁長定子常導短定子常導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電氣工程專業導論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電氣工程專業導論 Japan superconducting Maglev trainsSuperconducting Maglev bogieSuperconducting Maglev track89電氣工程專業導論 Germany

35、 normal-conducting maglev : TransrapidPrinciple of Transrapid90電氣工程專業導論 Japan normal-conducting HSST MaglevNormal conducting maglev-Linimo in Nagoya, JapanHSST: High Speed Surface Transport91電氣工程專業導論 Permanent Maglev (PM)Berlin permanent magnet half levitating train, Germany92電氣工程專業導論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電氣工程專業導論Fuel cell as Computer power supply94電氣工程專業導論 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電氣工程專業導論9. Flywheel Energy StorageSwitzerland flywheel energy storage track t

39、est vehicle in 1955Flywheel energy storage system96電氣工程專業導論 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電氣工程專業導論Flywheel energy storage device in power system Power grid peak shaving98電氣工程專業導論 Electric vehicles flywheel batteryBristol new tramcars with flywheel power supply99電氣工程專業導論 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電氣工程專業導論Flywheel energy storage-regenerative braking system beside the track101電氣工程專業導論 Satellite attitude controlFlywheel system of Satellite attitude control102電氣工程專業導論 Discharging pulsed high power suppl