动力系统(中):最重要的驱动力—电力

来源:宇辰网 作者:赵孜 时间:2016-05-20 分享至:
[宇辰导读]电力作为现代社会使用最为广泛的二次能源,在动力系统中扮演着十分重要的角色,通过电力驱动电动机,才能为装备电动机的设备提供动力。

  电力作为现代社会使用最为广泛的二次能源,在动力系统中扮演着十分重要的角色,通过电力驱动电动机,才能为装备电动机的设备提供动力。

  电力的来源也十分多样化。日常生活中使用的电能,主要来自其他形式能量的转换,包括水能、热能、原子能、风能及光能等。下面一一梳理。

  水力发电:

  水力发电系利用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处,将其中所含势能转换成水轮机之动能,再借水轮机为原动力,推动发电机产生电能。利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动,将水能转变为机械能,如果在水轮机上接上另一种机械(发电机)随着水轮机转动便可发出电来,这时机械能又转变为电能。水力发电在某种意义上讲是水的位能转变成机械能,再转变成电能的过程。因水力发电厂所发出的电力电压较低,要输送给距离较远的用户,就必须将电压经过变压器增高,再由空架输电线路输送到用户集中区的变电所,最后降低为适合家庭用户、工厂用电设备的电压,并由配电线输送到各个工厂及家庭。

水力发电站/图  来源网络

  人类利用水力的历史可以追溯到2000多年前,不过从水力站发展到水电站,则是在19世纪末远距离输电技术发明后才蓬勃兴起。19世纪人类掌握了水力发电技术,利用水力带动水轮发电机发电,再把电送到远处的工厂,扩大了水能的使用范围。通常在河流上修筑河坝,来提高水位。水位提高,水的机械能增加。

  近代大规模的水能利用,往往涉及整条河流的综合开发,或涉及全流域甚至几个国家的能源结构及规划等。它与国家的工农业生产和人民的生活水平提高息息相关。20世纪以来,利用水轮机发电的水电站日益增多,因为水电站具有运行费用低、无污染、取用不竭等优点。但是兴建水库、水坝,初始投资较大、建设时间较长,而且对生态平衡、地质力态平衡也有影响。

  热能发电:

  热能发电就是俗称的火力发电,是利用可燃物燃烧时产生的热能,通过发电动力装置转换成电能的一种发电方式。中国的煤炭资源丰富,1990年产煤10.9亿吨,其中发电用煤仅占12%。火力发电仍有巨大潜力。

火力发电/图  来源网络

  最早的火力发电是1875年在巴黎北火车站的火电厂实现的。随着发电机、汽轮机制造技术的完善,输变电技术的改进,特别是电力系统的出现以及社会电气化对电能 的需求,20世纪30年代以后,火力发电进入大发展的时期。火力发电机组的容量由200兆瓦 级提高到300~600兆瓦级(50年代中期),到1973年,最大的火电机组达1300兆瓦。大机组、大电厂使火力发电的热效率大为提高,每千瓦的建设投资和发电成本也不断降低。到80年代后期,世界最大火电厂是日本的鹿儿岛火电厂,容量为4400兆瓦。但机组过大又带来可靠性、可用率的降低,因而到90年代初,火力发电单机容量稳定在300~700兆瓦。,其所占中国总装机容量约在70%以上。火力发电所使用的煤,占工业用煤的50%以上。来自“清洁高效燃煤发电技术协作网”2007年会的信息显示,目前我国发电供热用煤占全国煤炭生产总量的50%左右。大约全国90%的SO₂ 排放由煤电产生,80%的CO₂ 排放量由煤电排放。

  火力发电按其作用分单纯供电的和既发电又供热的。按原动机分汽轮机发电、燃气轮机发电、柴油机发电。按所用燃料分,主要有燃煤发电、燃油发电、燃气发电。为提高综合经济效益,火力发电应尽量靠近燃料基地进行。在大城市和工业区则应实施热电联供。

  火电仍占领电力的大部分市场,只有火电技术必须不断提高发展,才能适应和谐社会的要求。

  原子能发电:

  原子能技术就是核电技术, 自1951年12月美国实验增殖堆1号(EBR-1)首次利用核能发电以来,世界核电至今已有60多年的发展历史。截止到2005年年底,全世界核电运行机组共有440多台,其发电量约占世界发电总量的16%。

  我国是名副其实的核大国,目前共有在运、在建及拟建的核电机组52台,在建机组规模世界第一,总装机规模位居世界第四。

核电站/图  来源网络

  煤、石油、天然气等化石能源的利用,对人类生存、发展、进步产生过巨大的影响。进入21世纪后,人们更加注重生存环境和生存空间的质量。大量燃用化石能源产生的温室效应、酸雨现象对人类生存环境造成了严重破坏。同时,化石能源经长期开采,其资源日趋枯竭,已不足以支撑全球经济的发展。在寻找替代能源的过程中,人们开始越来越重视核能的应用,而核能最主要的应用就是核能发电。

  核电站是利用原子核内部蕴藏的能量产生电能的新型发电站,核电站大体可分为两部分:一部分是利用核能生产蒸汽的核岛、包括反应堆装置和一回路系统;另一部分是利用蒸汽发电的常规岛,包括汽轮发电机系统。

  核电站用的燃料是铀。铀是一种很重的金属。用铀制成的核燃料在一种叫“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量 热能,再用处于高压力下的水把热能带出,在蒸汽发生器内产生蒸汽,蒸汽推动气轮机带着发电机一起旋转,电就源源不断地产生出来,并通过电网送到四面八方。这就是最普通的压水反应堆核电站的工作原理。

  风力:

  风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。

  数千年来,风能技术发展缓慢,也没有引起人们足够的重视。到了十八世纪二十年代,在北美洲风力机被用来灌溉田地和驱动发电机发电。 从1920年起,人们开始研究利用风力机作大规模发电。1931年,在苏联的Crimean Balaclava 建造了一座100KW容量的风力发电机,这是最早商业化的风力发电机。不过由于技术水平的限制,这些风力的转化率相对较低。自1973年世界石油危机 以来,在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。

风力发电/图  来源网络

  风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力,特别是对沿海岛屿,交通不便的边远山区,地广人稀的草原牧场,以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆,作为解决生产和生活能源的一种可靠途径,有着十分重要的意义。即使在发达国家,风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。二十世纪出现了直接应用风力的发电装置,但受到自然风区分布的限制,因为一般认为风速大于4米/秒才有利用价值。据估计,地球上蕴有风能约达10吉瓦,已经利用的不及百分之一,故风能大有开发的前景。

  利用风力发电,丹麦应用最早,而且使用较普遍。丹麦虽只有500多万人口,却是世界风能发电大国和发电风轮生产大国,世界10大风轮生产厂家有5家在丹麦,世界60%以上的风轮制造厂都在使用丹麦的技术,是名副其实的“风车大国”。

  光能:

  光能就是俗称的太阳能,目前太阳能发电有两大类型:一类是太阳光发电(亦称太阳能光发电),另一类是太阳热发电(亦称太阳能热发电)。

  太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式,在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。

太阳能电池/图  来源网络

  太阳能热发电是先将太阳能转化为热能,再将热能转化成电能,它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能,如半导体或金属材料的温差发电,真空器件中的热电子和热电离子发电,碱金属热电转换,以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳热能通过热机(如汽轮机)带动发电机发电,与常规热力发电类似,只不过是其热能不是来自燃料,而是来自太阳能。

  电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业,是国民经济的第一基础产业,是关系国计民生的基础产业,是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。作为一种先进的生产力和基础产业,电力行业对促进国民经济的发展和社会进步起到重要作用。没有电力,很多设备无法驱动,电力作为现代社会里一种最普遍的动力,对于动力系统的发展有深刻的影响。



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