电源第1讲课程介绍.ppt

电源技术,信息学院 王震洲 E-mail:,选修课,绪论,把其他形式的能源转换成电能的装置称作电源。在实际生活或生产中，我们不可避免地要和各种电源打交道。 电源技术是一门介绍电能的产生、传输、变换的原理及实现的课程。本课程从实用角度出发，使学生了解电源的产生（包括新能源技术）、电源的传输、电源的变换、电源的性能指标、安全用电、特种电源等知识，为以后的工作奠定必要的基础。,一、什么是电源 二、本课程的内容及安排 三、我国能源与电力的发展面临的问题,一、什么是电源,电源：把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。 发电机能把机械能转换成电能。 电池能把化学能转换成电能。,通常所说的电源是指向电子设备提供功率的装置，称做电源变换器，简称电源。 它把是电网中的能量变换成电子设备需要的形式。电源的功率大小、性能是否稳定，将直接影响电子设备的工作性能和使用寿命。,1）电能的产生 2）电能的传输 3）电能的应用,电源技术涉及的内容,1）电能的产生,主要有两种方法：利用发电机将机械能转化为电能。如火力电厂、水电厂、风力发电、光能发电等；化学能转化为电能，就是们常用的各种电池。,峰峰电厂,2）电能的传输,图 1-1 电力系统示意图( 虚框内为输电网),3）电能的应用,动力 照明 冶金 化工 通讯 日常生活,4）基本问题：效率,电源效率是指电能利用率，也就是从外部吸收功率与向负载输出功率两者之的比值。 1.电能的产生 2.电能的传输 3.电能的应用,二、本课程的内容及安排,1）电源的产生 2）电源的传输 3）电源的变换 4）特种电源的介绍 5）安全用电,1）电源的产生,人类利用能源包括不可再生能源和可再生能源。 不可再生能源包括煤炭、石油、天然气等，它们随着开采力量的加大而迅速减少。 可再生能源，包括太阳能，风能，生物质能，水能，地热能，海洋能等。广泛存在，用之不竭，最终可依赖的初级能源。随着化石能源逐渐耗竭，可再生能源在人类能源持续发展中的作用日益增大。,1.1太阳能发电,太阳能是地面上最丰富的可再生能源，是未来持续发展最可依赖的初级能源。,1.2风力发电,风能是一种广义的太阳能，只要太阳存在，风能资源就不会枯竭。 风力发电开发利用相对比较简单，不需要原料基地，不需运输，不需复杂昂贵的转化装置。存在的问题是：能量密度低，间断性与变化性大，从而：单机容量较小，占地面积大，地点选择有局限性，在整个电力系统中所占份额不能太大。,1.3 生物质发电,生物质能发电采用采伐业废弃物，造纸和木材加工的废弃物，稻壳、甘蔗渣等农业废弃物，牲畜粪便，城市垃圾等为原料，进行燃烧产生蒸汽发电，他同时具有重大的环境意义。目前，美国生物质发电站的总容量已达1000万千瓦， 其中利用林业与农业废弃物约760万千瓦，250万千瓦利用城市垃圾，1989年一年内就增长了184万千瓦。共有500多个装置，平均规模为2万千瓦，最大7.5万千瓦，平均效率约为20%，电价为8-12美分/度。正在积极发展一些高效的生物质发电方法。,1.4地热发电,地热发电自1904年出现以来，目前全世界的总容量已达近700万千瓦，2000年达1000万千瓦。其中美国装机273.3万千瓦，占世界总容量的40%，他的盖塞斯地热站达105万千瓦，占该国总装机容量的15%。当前运营的地热电站都是干蒸汽型或地下热水型（闪蒸发电或双循环发电）两种类型，正在积极研究发展全流发电和干热岩发电。,1.5海洋能发电等新能源技术,海洋能发电目前已较大规模应用的是潮汐发电，法国朗斯电站最大，24万千瓦。海洋温差发电与波浪发电还处在试验与示范阶段。,2）电源的传输,（1）电网技术 （2）电力变压的原理 （3）特高压输电及直流输电技术 （4）电能质量,2.1电网技术,电网是将相近的电厂、送变电站联络起来，形成全国或地区性网络，以便进行统一管理和指挥。它的主要作用是保证发电与供电的安全可靠，调整地区间的电力供需平衡，保持规定的电能质量和获得最大的经济利益。 介绍电网及电力系统的一些基本知识,2.2电力变压器的原理,电力变压器是一种静止的电气设备，是用来将某一数值的交流电压（电流）变成频率相同的另一种或几种数值不同的电压（电流）的设备 介绍电力变压器的原理及生产工艺,2.3特高压输电及特高压直流输电新技术,特高压电网指的是以1000kV输电网为骨干网架 ， 超高压输电网和高压输电网以及特高压直流输电、高压直流输电和配电网构成的分层、分区、结构清晰的现代化大电网。 介绍特高压输电的一些基本知识,2.4电能质量,电能质量(Power Quality)，其可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。 内容包括：频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。 在现代电力系统中，电压暂降和中断已成为最重要的电能质量问题。,3）电源的变换,（1）开关电源电路拓扑 （2）变压器和电感设计 （3）功率驱动电路 （4）减少开关电源损耗的先进技术 （5）电源变换器的性能指标,4）特种电源介绍,（1）UPS、变频节能 （2）高频感应加热 （3）电动汽车、大功率充电机,4-1 UPS、变频节能,UPS是不间断电源（Uninterruptible Power Supply）的英文简称，是能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备。 变频节能：由流体力学可知，P（功率）=Q（流量）H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。例如：一台水泵电机功率为55KW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16KW，省电48.8，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875KW，省电87.5。,4-2高频感应加热,感应加热是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流(涡流损耗)、以及导体内磁场的作用(磁滞损耗)引起导体自身发热而进行加热的。 高频感应加热设备已得到广泛应 用，设各频率范围在20450 kHz,高频功率 最大可达400 kW。高频感应加热设备主要应用于金属热处理、淬火、透热、熔炼、钎焊、直缝钢管焊接、电真空器件去气加热、半导体材料炼制、塑料热合、烘烤和提纯等。,4-3电动汽车,电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术及相关配套设施尚不成熟。,大功率充电机,充电机是采用高频电源技术，运用先进的智能动态调整充电技术。它采用恒流/恒压/小恒流智能三个阶段充电方式。 充电效率高，操作简单，重量轻，体积小 具有反接、过载、短路、过热等多重保护功能及延时启动，软启动、断电记忆自启动功能等。 具有科学的充电电量控制技术，全自动充电机能在蓄电池充足后自动关机，确保蓄电池充足，不过充、不欠充，延长蓄电池使用寿命。 全自动充电机可适用的电池类型：镍铬、镍氢、铅酸、锂离子电池等。,5）安全用电,触电的原因，安全用电的原则,三、我国能源与电力的发展 面临的问题,1) 发展概况 2 )特点与面临的问题 3 )发展重大的电工新技术,1）发展概 况,我国能源与电力发展概况。 我国一次能源结构，生产和消费重量近年的变化，以及对需求的预测 至1992年我国发电装机总容量的变化。 我国电力结构的现状（2003）及2020与2050年的预测。,图1人类能源持续发展的历程,图1上示出了人类能源持续发展的历程。显然，我们正处在以化石能源为主的时期。,图2 世界和中国主要常规能源储量预测,表2，我国能源与电力发展概况,图3 ，我国一次能源结构,2003年数据,一次能源生产量16亿吨标准煤（比2000年增长了49.53%，平均年增长14.35%） 煤炭产量16.67亿吨（比2000年增长67.03%，平均年增长18.65%） 原油产量1.70亿吨（比2000年增长4.20%，平均年增长1.41%） 天然气产量341亿立方米（比2000年增长5.37%，平均年增长7.83%） 由于国内原油生产增长缓慢，石油进口大幅度增加。2003年石油净进口达9700万吨，与2000年相比，增长39.35%，平均年增长11.69%，石油对外依赖度已达36.4%,图5，全国历年发电装机总容量,2003年的煤炭数,表4 我国发电结构现状（2003年底）,2003年底我国发电设备装机容量和发电量构成,表 2020年发电装机容量组成情况,单位：万千瓦,表5 2020年的电力负荷水平及发电能源结构预测 据预测，2020年的电力供应的发电装机容量组成情况如下表：,由上表可见，到2020年时，由于环保和煤炭供应、运输的压力，能源结构不合理和过于依赖煤炭的状况有所改善，但煤电62%的比例仍然很大 。,经初步统计，2003年全国能源消费总量为16.78亿吨标煤，按科技发展规划战略研究估计，2020年全国能源消费总量为2533亿吨标煤（均值为29亿吨标煤），由此推测2050年约需50亿吨标煤 。 按1997年出版的“中国能源战略研究（20002050年）”（前能源部组织研究）中的预测数据，2050年能源需求总量为3746亿吨标煤，取其高方案（46亿吨标煤），并照原文中按环保要求作出的替代方案考虑，各种能源所占总量及比例大致如下表。,表6 2050年的能源消费需求、电力负荷水平、 发电能源结构预测,考虑到需求和各种能源发电的可能性，则2050年的发电结构估计,2）特点与面临的问题,我国能源与电力发展的主要特点与面临的问题是: 1 需求增长快，满足需求的压力很大 由1949至2000年，商品能源生产总量增加了40多倍。进入“十五”以来，在经济持续高速发展的拉动下，需求快速增长，国内能源生产量和国际进口量都创下了历史新高。展望2050年相对2000年还将继续增长3-4倍。必须根据需求，资源和技术，采取有力措施，保障供应和可持续发展。 2 能源结构以煤为主近期难以改变 当前占60%以上，2050年估计仍将保持40%以上，而全世界一次能源供应中煤仅占27%，大量使用煤带来严重的环境污染与生态破坏，煤的能量利用率有待大大提高，从而需要大力发展煤的高效、清洁利用技术。逐步降低煤的比重，要求大力开发新能源，主要是核能与可再生能源。,3 石油资源与生产紧缺，保持石油供应成为突出的能源安全问题 2004年我国进口石油达1.2亿吨，占总耗量的40%，而石油消费正处在快速增长期，在较严格控制下估计2020年消费总量不小于4.5亿吨，国内可生产1.8亿吨，对外依赖度将达60%，预测2050年我国石油耗量将达8亿吨，对外依赖度将达80%。值得注意的还有，预测全球石油产量将在2040年前后达到峰值，以后产量将逐步下降，到22世纪达到枯竭。能源安全已应纳入优先考虑的范围，除多方面强化石油勘探，大力发展石油工业和积极参与国际开发外，还应千方百计努力节能。 4 能源利用效率低，节能任务重 能源强度（单位GDP的能耗）高，为世界平均值的4.7倍，与英、美、加七十年代的水品相近。能源转换利用率为29%，比世界水平低10个百分点，努力进行各方面的节能技术研究也应是能源发展的一个重点。 5 农村人口占65%以上（8.6亿人），解决好农村能源问题是一个突出的任务。 6 为保证能源的可持续发展，新能源与可再生能源的研究发展力度有待加强。,3）发展重大的电工新技术,经过反复论证，我国电力发展已取得一定共识，总装机容量将由2002年的3.53亿千瓦，增长到2010年的5.8亿千瓦，2020年的9.5亿千瓦，平均年增长0.33亿千瓦，前期（至2010年）0.28亿千瓦，后期（2010-2020）0.37亿千瓦，其中燃煤电站装机容量2002年为2.64亿千瓦，占总装机容量的75%，2010年为4.0亿千瓦，占68%，2020年为5.9千瓦，占62%，燃煤电站容量平均年增长0.18亿千瓦，前期（至2010年）0.17亿千瓦，后期（2010-2020）0.19亿千瓦，我国能源结构以煤为主，电力结构以燃煤电站为主没有重大改变，显然我国燃煤电站产业化须向着高效、低污染方向奋力前进，为此: 1 尽可能采用大容量、高参数、高效率，节水环保型燃煤电站（超临界，超超临界） 2 要积极采用近年来发展起来的高效、低污染的燃煤发电技术（IGCC，PFBC等） 3 要进一步发展更加先进的煤炭综合利用的多联产技术，达到更好的效率和经济性能。,（1） 高效、低污染燃煤发电,我国能源的发展突出的矛盾出现在保障石油供应的能源安全问题上。如果至2020年我们还可以通过多种途径保证石油的供应，在2040-2050年以后将不得不依赖逐步扩大的石油的补充与替代能源的发展。从而当前就应十分重视石油补充与替代资源的研究发展，做出必要的部署。 石油补充与替代能源的研究发展涉及资源、技术与经济多方面的因素，有着多种途径和广泛的内涵。建议从七个方面开展研究。即：（1）石油需求、资源与产能的预测 （2）发展以煤及天然气为基础的液体燃料（3）发展以生物质能为基础的液体燃料。（4）发展电气化交通（5）发展氢能交通（6）发展适应新兴能源的车辆（7）各种补充与替代能源综合协调发展的战略。 希望能够引起重视，理清思路，拟定战略。 从电气新技术着眼，主要是发展节能洁净的电气化交通和发展电动汽车与磁浮列车。,（2） 大力加强我国石油补充