第一章
电能的产生
在这一章内将介绍电能是如何产生的，并具体了解各种电源。电源是把其它形式的能量转换成电能的装置，按电源的工作性质可分为直流电源和交流电源。
1.1
1.1.1 电能及电路的基本物理量
一、电能
直流电源
1．电能是带电粒子在电场中所具有的能量，电能和其它形式的能量是可以相互转换的，而带电粒子的运动则是电能转换所必须的。
2．电能的产生就是将其他形式的能量通过一定的装置或设备转换成电能的过程。 3．电能的应用就是将电能通过一定的电路设备转换为其他形式的能量。
4．电能的传输更加容易、成本较低，而且电能的使用方便，因此人们常常将其他形式的能量先转化为电能，再输送到远方，然后再加以利用。
二、电路
1．电路，从其名称上讲，就是电流的通路，是将电气设备或电子元件通过导线连接起来，从而实现某些特定功能的电流的通路。
2．电路的作用
其一是以传输、分配、转换电能为目的的供配电系统，因其功率、电流、电压的值较大，故也称为强电系统；
其二是以传送、处理、储存信号为目的的电子电路，因其功率、电流、电压的值较小，故也称为弱电系统。
3．表征电路的基本物理量 1) 电流及其参考方向
iq
（1.1.1） t这个事先选定的假设方向就称为电流的参考方向或电流的正方向。以此为参考，若分析结果电流为正值则实际方向与参考方向一致，若为负值则实际方向与参考方向相反。
2) 电动势
1 在电源中，外力对单位电荷量所作的功也就是单位电荷所获得的能量称为电动势，所以电动势是描述外力对电荷作功大小的物理量。
e电动势只存在于作为电源的导体中 3) 电压及其参考方向
W
q电压是描述电场力对电荷做功大小的物理量。
电压的实际方向为从电源正极指向负极，也就是使正负电荷复合的方向，其大小为
uW 标注：
qW
quAB根据假设的电流方向来确定导体中各点之间的电压指向，称为电压的参考方向，即是从假想的高电位点（带正电）指向低电位点（带负电），也可以确定电源中电动势的指向，称为电动势的参考方向，这个参考方向不必用箭头表示，只要在图中用＋、－号标出各段导体二端相对的电位高低就可以了。
4) 电功率
电功率是单位时间内元件（或电路）转换的电能量，即
pui
吸收的功率和发出功率
1.1.2 直流电源的特征
直流发电机、各种电池都是直流电源，它们共同的特点是电压和电流的大小和方向不随时间而变，所以称为直流。外部特性，即接上用电负载以后，就能向负载提供电流，而且接上负载后的电源端电压要低于不接负载（即电源两端是悬空的）时的电源端电压。
电压源和电流源就是二种表征理想电源特性的理想电路元件。
一、电压源
1．电压源的两个基本性质
（1）它的端电压是定值U ，而与输出电流无关。
2 （2）其输出电流的大小和方向，是由与它连接的外电路负载所决定的。 2．电压源符号
(a)实际电源符号
（b）电压源的一般符号
图1.1.2电压源的电路符号
3．实际电源，在一般情况下，可以用一个电动势为E的电压源和内阻R0相串联的电压源模型来表示
UEIR0
(1.1.5)
二、电流源
1．电流源的两个基本性质
（1）它发出的电流是定值Is,而与其输出的端电压无关，即使是端电压为零时，它发出的电流仍为定值Is。
(2)其输出端电压的大小和方向是由与它连接的外电路负载所决定的。 2．电流源的符号
Is
图1.1.6电流源的符号
3．实际电源，可以用一个电流源Is和电阻R0相并联的电流源模型来模拟。
IaUb
ISR0 3 图1.1.8 实际电源的电流源模型
IIsUR0
(1.1.6) 3.电压源模型与电流源模型之间的等效变换
一个实际电源既可以用电压源模型来表示，也可以用电流源模型来表示，那么这两种模型之间一定存在相互等效变换的关系。所谓等效是对外电路而言的，即当两种电源模型分别连接相同的外电路，它们对外电路产生的效果完全一样，但这两种电源模型内部结构并不一致，所以内部不能等效。
图1.1.10 电压源模型与电流源模型的等效变换
一个电动势为E的电压源和某个电阻R0串连的电路，都可用式(1.1.8)变换为一个电流为Is的电流源和这个电阻R0并联的电路，反过来，一个电流源与电阻并联的电路也可以变换为一个电压源和电阻串联的电路，两者是等效的。值得注意的是，电压源和电流源本身之间没有等效关系。因为电压源的内阻R0=0，而电流源的内阻R0∞，所以两者之间不存在等效变换的条件。
1.1.3 一次性电池
一、化学电源是把化学能直接转换成电能的装置。按可否充电分为一次电池（不可再充电）和二次电池（可再充电）两类。
二、一次性电池又称干电池（电解质不流动），
1．干电池主要有六个系列：普通锌锰（中性锌锰）、碱性锌锰、锌汞、锌空气、镁锰和锌银。其中锌汞电池因汞造成污染，锌银电池又消耗大量的白银，因而使其发展受到一定 4 的限制，锌空气电池随技术的发展有一定的市场，镁锰电池主要用于军事项目，普通锌锰电池已发展为纸板式干电池，碱性锌锰电池已有很大的发展，比普通锌锰电池更适用于高负载，目前被普遍采用。
2．干电池组成
负极----向外电路释放电子，在电化学反应中自身或反应物被氧化，一般由锌片等构成。
正极----从外电路接受电子，在电化学反应中自身或反应物被还原，一般由碳棒（二氧化锰和石墨）构成。
电解质----离子导体，离子在电池正、负极之间移动。典型电解质是液态的，某些电池采用在运行温度下呈离子导体的固体电解质。 3．电池的等效电路。
一般干电池的单体电动势E约为1.4～1.6V,特殊干电池各不相同，内电阻R0约为0.1～0.5Ω，随着使用时间的增长逐渐增大。
4．干电池使用 可串联或并联使用
根据不同的要求，选择适合型号的电池。 电池在长时间不使用时，应将它退出电器设备 电池应保存在阴凉、干燥之处
用完后的电池应投入专门的回收箱内，不要随便丢弃，防止发生环境毒性污染。 无论是民用还是军用微型电子装置中都迫切需要电动势高、重量轻、体积小、性能好的电源系统。五十年代发展起来的锂电池具有容量大、自放电少、温度特性好等优点，其电动势为3V左右，在航空技术、监控装置、心脏起搏器、高级石英手表以及存储器等电子装置中被广泛使用。
1.1.4 可充电电池（此小节前两部分与原书P14至P15的1.1.3节一样）
可充电电池是一种可反复充电的还原性二次电池。充电时将电能转变成化学能并储存起来，使用时，再将化学能转换成电能并向负载释放。这种电能----化学能的转换是可逆的。
一、铅酸蓄电池 1．特点
电动势较高、结构简单、适用温度范围大、容量大、原料丰富、价格低廉。但也存在比 5 较笨重、防震性差、自放电较强、有氢气放出、易爆等缺点。它主要用于车辆的起动电源和实验室中。
2．基本部件
正极板、负极板、电解液、隔板、蓄电池槽。正极板是由二氧化铅（PbO2）构成的生极板，负极板是由海绵状的金属铅（活性物质）构成的熟极板，电解液为稀硫酸（H2SO4）溶液，隔板是由玻璃丝等聚合物材料构成。
3．工作原理
充电后的蓄电池两极之间的电压约为2.1V。当两极板间的电压U降低到1.8V时，电解液中硫酸（H2SO4）成份逐渐减少，两极板均变成硫酸铅（Pb SO4），蓄电池放电结束。
蓄电池充电时，将两季节在电源的正负极上如图1-12（c）所示，组成充电电路。反方向的充电电流使电解液中硫酸（H2SO4）浓度逐渐增大，H不断移向负极，在负极上生成海绵状的铅，并放出氢气，SO4不断移向正极，是正极还原成PbO2，并有氧气放出，所以充电过程必须加水以补充水的流失。当极间电压达到2.5～2.7V时，充电结束。
已经生产出免维护的密封式铅蓄电池，能方便的使用于汽车及电动车上，运用中基本上对环境没有污染。
二、镍镉电池
1．性能：容量高、内阻小、能大电流充放电、寿命长、自放电小、低温性能好、维护简单。尤其密封式电池可以以任何放置方式加以使用，无需维护。其缺点是价格较贵、有污染、单体电压低（1.25V），而应用不及铅蓄电池广。不过它的重复使用可达上千次。
2．结构
镍镉电池的负极为氢氧化镉（Cd(OH)2）和氢氧化铁（Fe(OH)3）,正极为氢氧化镍（Ni(OH)2）,电解液溶液为氢氧化钾（KOH）,壳体使用二次防爆装置封装，外壳为负极，盖板为正极，盖上有排气孔。为了适应特殊需要，它的型式和结构是多种多样的，可大致分为开口式和密闭式两种。按其结构又可分为平面式、圆筒式和钮扣式等。
镍镉电池在正常的放电时间内，电压基本保持不变，但一旦超过正常放电时间，电压将骤然下降。使用中若过度放电或充电不当，将会影响其使用寿命。
镍镉电池在电气设备、通信器材、卫星火箭等方面得到广泛的应用，由于存在着严重的镉污染，使镍镉电池的应用和开发受到限制。目前开发的以新型储氢材料----钛镍或镧镍合金作为负极材料做成的氢镍电池。其容量是镍镉电池的1.5倍， 而开路电压及售价基本相同，同时它充电时间比镍镉电池短，并能低温快速充电，所以应用日益广泛。
2-+
三、二次锂电池（锂离子电池）
自阿曼德(Ａｒｍａｎｄ)于1980年提出了“摇椅电池”(ＲＣＢ)概念后，日本索尼和三洋公司分别于1985年和1988年开始了锂离子电池的实用化研究。1991年6月，由索尼公司开发成功。世界上第一部采用锂离子电池的移动电话上市后，激发了世界各国对锂离子电池研制开发的热潮，锂离子电池被人们称之为“最有前途的化学电源”，甚至称为“极限电池”或“最后一代电池”。在这之后，松下、东芝、三洋及SAFT和MOLI公司等先后研究和开发出了类似产品，锂离子电池已经成为世界各国研究开发的重点。
1．主要构造部分有负极、正极、能传导锂离子的电解质以及把正负极隔开的隔离膜。锂离子电池负极是碳素材料，如石墨等；正极则是含锂的过渡金属氧化物，如LiCoO
2、LiMn2O4等；电解质是含锂盐的有机溶液。
2．它的工作原理比较简单，之所以被称之为锂离子电池是因为这种电池无论在正负极中还是在电池隔膜中，锂都是以离子形式存在的。锂离子电池在充放电过程中，锂离子在正负极之间及电解质、隔膜中定向运动。充电时在电场驱动下锂离子从正极材料中脱出，穿过电解质及隔膜向负极方向迁移，在负极上捕获一个电子被还原为锂，并存贮在具有层状结构的石墨中；放电时，过程正好相反，在负极中的锂会失去一个电子而成为锂离子，并穿过电解质及隔膜向正极方向迁移，并存贮在正极材料中，电子则通过了用电设备，并为之供电。由于在充放电时锂离子是在正负极之间来回迁移，所以锂离子电池通常又称摇椅电池(Rocking chair battery)。
3．特点
锂离子电池是目前二次电池中比能量最高的一种新产品，堪称电池之王。
比能量高、工作温度范围宽、工作电压平稳、贮存寿命长(相对于其他二次电池)、工作电压高(一般在2.5Ｖ～3.6Ｖ之间,有的产品达到4.2Ｖ)等，比一次锂电池的平均工作电压(2.0Ｖ～3.0Ｖ)还要高出0.5Ｖ左右。从安全性来讲，锂离子电池要比以金属锂为负极的一次锂电池安全得多，电池通过过充、短路、穿刺、冲击等滥用试验，均无危险发生。锂离子电池与镍镉电池一样可以快速充电，且无记忆效应，远比镍镉电池优越。而且，世界环境保护组织早已把用作电池原材料的镉(Cd)、汞(Hg)、铅(Pb)等三种元素列为有害物质，镍镉电池的生产和应用受到限制。因而，锂离子电池被称之为“绿色”电池。
锂离子电池在军事装备及航天事业中的应用前景广泛，军事装备中的电源包括动力车起动电池、无线通讯电台电源、特种兵器使用的电池，如水中兵器电源(包括鱼雷、水雷和声纳干扰器等)、微型无人驾驶侦察飞机动力电源(包括摄录像装置电源)、带引信装置的预埋
7 式各种地雷电源等。
目前，对锂离子电池的负极材料、正极材料、电解质材料研究不断取得新的进展。凝胶聚合物锂电池已率先商品化，其产品以具有超薄、轻便、高能量密度等特点很受用户的欢迎。固体聚合物电解质的研究也取得了许多进展，室温离子导电率以及机械加工性能有了很大的改进。固体锂离子电池具有很好的使用安全性能，在未来的电动汽车上有很好的应用前景。
*1.1.5 燃料电池
一、燃料电池是利用在电池内发生的所谓燃烧反应，将化学能直接转换为电能的装置。
二、特点
1．从理论上讲，其能量转换率要比火力发电高很多，只要不断地供给它燃料，就像往炉膛里添加煤和油一样，就可连续不断的输出电能。
2．实际上，由于部件老化和故障等原因，它也有一定的寿命。
3．燃料电池却是一个开放的电化学体系，与环境既有能量的交换，又有物质的交换。由于需要不断地提供燃料，带走反应生成的水和热量，因此需要一个比较复杂的辅助系统。
4．能量转换效率高。 燃料电池的最高效率可达90％，且与规模无关。它还可在半额定功率下运行。它可以设在用户附近，大大减少了电能传输费用及损耗。在其发电的同时，还可产生热水及蒸汽。
5．可靠性高。 由于燃料电池的转动部件很少，因而系统更加安全可靠，不会发生像燃气涡轮机或内燃机因转动部件失灵而发生的恶性事故。
6．良好的环境效益。 环境污染大多来源于各种燃烧，普通火力发电厂排放的废物有颗粒物（粉尘）、硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）以及废水、废渣等。燃料电池排放的气体仅为最严格的环境标准的十分之一，温室气体的排放量也远小于火力发电厂。它的电化学副产物是水，其量极少，且清洁得多，无需设置废气处理系统。另外，它在运转过程中噪声很小，对环境影响小。
7．燃料电池由于技术不够普及，无完善的燃料供应系统，市场价格昂贵，高温时寿命及稳定性不理想，还未进入大规模的商业化应用。
三、氢氧燃料电池工作原理及结构示意图。
1．其结构主要包括氢电极（负极）、氧电极（正极）和电解液。
8 2．工作原理
氢在负极扩散，与电解液发生化学反应，并放出电子，这些电子经过负载到达正极。在正极上氧原子接受电子后生成氧离子，与电解液中的水发生反应产生氢氧离子，再与失去电子的氢离子结合生成水，并放出热量。为提高反应速率，电极一般采用多孔材料，以增加气体与电解液的接触面积，并采用催化剂及提高电池工作温度。而其它燃料如天然气、煤气等，须经催化裂化或改质以得到氢，在燃料电池中氢电极亦称为燃料极。燃料电池的输出电压约为1V.*1.1.6 太阳能电池
太阳能是一种可再生的、取之不尽的有效能源。每年太阳照射到地球上的总热量有1.5×10kW·h，相当于世界总需求能量的数万倍。利用太阳能不会改变地球的热能平衡，不会产生生态污染和温室效应。但它的能量密度很低，只有1kW/m，且昼夜及季节间的差别很大，所以在使用上需要解决设备工作效率低和成本高的问题。太阳能电池是利用半导体的光电效应，使光能直接转换成电能的装置。
太阳能电池可分为：晶体硅和非晶体硅（包括砷化镓、硫化镉、化合物半导体及金属氧化物电池）二种，晶体硅太阳能电池又可分为单晶硅和多晶硅太阳能电池，这类电池可靠性高、转换效率高达10％～25％、资源丰富、无毒性，目前正向薄片化及大面积化方向发展，是市场上的主导产品。非晶体硅太阳能电池是近
二、三十年才发展起来的一种新型薄膜太阳能电池，它耗材少，生产工艺简单，便于大面积连续生产，成本较低，在电子产品、通信、中小型并网发电等方面广泛应用。
1.1.8 直流发电机
218
一、直流发电机
1． 用途，把机械能转换成直流电能的旋转机械。
2． 应用，用于蓄电池充电、同步电机励磁、电解和电镀、直流电动机及汽车、船舶的用电等方面，
3． 发展，由于直流发电机构造复杂、能耗大、维护要求高、噪声大，随着电力电子技术的迅速发展，它逐渐被半导体整流电源所取代。 二结构
1．磁极是用来在电机中产生磁场的，它分成极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电机空气隙中磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组。磁极
9 是用钢片叠成的，固定在机座（即发电机外壳）上。 2．机座也是磁路的一部分，它通常使用铸钢制成。
3．电枢是发电机中产生感应电动势部分，它是旋转的。电枢铁心呈圆柱状，由沿圆周冲槽的硅钢片叠成，槽中嵌放电枢绕组。
4．换向器装在转轴上，它是由楔形铜片组成，铜片间用云母垫片绝缘。电枢绕组的导线按一定规则与换向片相连接。换向器与电刷是直流电机的构造特征，用以将电枢绕组内的交流电流转换为对外电路输出的直流电流。
三、直流发电机的工作原理
直流发电机在运行时，电枢由原动机驱动而在磁场中以恒定的转速旋转，在电枢线圈的两根有效边（切割磁力线的部分导体）中便感应出电动势。尽管在每一有效边中感应出的电动势是交变的，但在紧压在换向器上的电刷之间出现的电动势或电压的极性是不变的，这样输出电流的方向就一定。
四、直流发电机通常按励磁方法分为：他励、并励、串励和复励发电机。
他励发电机的励磁绕组是由外电源供电的，励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。其余三种发电机的励磁电流即为电枢电流或电枢电流的一部分，所以它们也称为自励发电机。
1.2 交流电源
交流电的优点：
变压方便，做到远距离、低损耗地传输电能。
正弦量无论做加法运算、减法运算、积分或微分运算，其结果依然是同频率的正弦量，因此在正弦交流电路中各个正弦交流电量频率相同，分析计算方便。 正弦交流电量变化平滑，在正常情况下不会引起过电压而破坏电器设备的绝缘。 电动机等交流电器设备采用正弦交流可以使其性能最优。 1.2.1 正弦交流电压的产生
一、概念
随时间按正弦规律变化的电压、电流、电动势称为正弦交流电，它是由交流发电机或正弦信号发生器产生的。
二、正方向
即代表正半周时的方向。在负半周时，由于所标的方向与实际方向相反，则其值为负。 1.2.2 正弦交流电量的频率、大小、相位、有效值
一、频率与周期
1． 周期：正弦交流电量变化一个循环所需的时间（秒）称为周期T。 2． 频率：每秒内变化的循环次数称为频率f, f3． 角频率：1。 T22f，单位是弧度每秒（rad/s）。 T
二、幅值与有效值
1．瞬时值：用小写字母来表示，如i、u及e分别表示电流、电压及电动势的瞬时值。 2．幅值或最大值：瞬时值中最大的值，用下标m的大写字母来表示，如Im、Um及Em分别表示电流、电压及电动势的幅值。
12idt3．有效值：正弦电流的条件下可得I=T0T=
TIm122Isintdt=，mT20同理正弦电压或正弦电动势的有效值为U
三、初相位
Um
2、EEm2。
1．初相位：正弦电流为iImsin(t)，（ωt+Ψ）成为正弦量的相位角或相位，它反映出正弦交流电量变化的进程。t=0时的相位称为初相位角或初相位，一般用Ψ表示。
2．相位差：两个相同频率的正弦量的相位角之差或相位之差，称为相位角差或相位差，用φ表示。则：
(t1)(t2)12 （1-5）
u较i先到达正的幅值，这称为在相位上u比i超前φ角，或者说i比u滞后φ角。若u和i具有相同的初相位，即相位差φ=0,称为同相（相位相同）；而u和i具有相反的初相位，即相位差φ=180°，称为反相（相位相反）。
1.2.3 三相交流电
一、三相同步发电机
1．主要组成部分是电枢和磁极。
2．电动势的产生
二、电动势表示： 1．如以A为参考，则有
eBEmsin(t120) eCEmsin(t240)Emsin(t120)eAEmsint 并有eA +eB +eC=0
2．相序：三相交流电出现正幅值（或相应零值）的顺序称为相序。在此相序是A→B→C。
三、星形联结
1．星形联结：发电机三相绕组的联接通常将三个末端联结在一起，这一联结点称为中点或零点，用N表示。从中点引出的导线称为中性线，俗称零线。从始端A、B、C引出的三根导线称为相线或端线，俗称火线。
2．相电压：每相始端与末端间的电压，即火线与地线间的电压，称为相电压，其有效值用UA、UB、UC或一般地用Up表示，其正方向为自始端指向末端。
当绕组中没有电流时就有uAeA、uBeB、uCeC及UmEm成立，即有
uAUmsintuBUmsin(t120)
uCUmsin(t120)3．线电压：任意两始端间的电压，即两火线间的电压，称为线电压，其有效值用UAB、UBC、UCA或一般地用Ul表示 ，其正方向由其下标确定，例如UAB是A端指向B端。
12 uABuAuBUm[sintsin(t120)]3Umsin(t30)同理 uBCuBuC3Umsin(t90) （1-9）
uCAuCuA3Umsin(t150)它们和电源电动势一样都是对称的同频率的正弦量，相电压的大小等于绕组电动势，线电压的大小是相电压的3倍，即 Ul3Up (1-10) 1.2.4 水力发电站
一、水利发电原理
水力发电站是利用高位水和低位水之间因落差所具有的水位能，通过水轮机转换成机械能，再通过发电机转换成电能。
水力发电的开发包括一般水力发电站例如三峡水电站和大规模的抽水蓄能发电站例如浙江天荒坪抽水蓄能电站，近年来抽水蓄能发电站在水力发电中占有的比例日益增大。
二、水力发电站按构造及落差方式的分类
1．引水式水力发电站 在河流的上游建立一个引水口，利用斜坡较缓的水渠，将水引到一定落差的地点，利用水的冲击力发电。
2．堤坝式水力发电站 在山间河道狭窄的地方，建立起切断水流的大坝，将河水堵住，使水位提升，利用坝前后水的落差发电。
3．混合式水力发电站 把引水式和堤坝式组合在一起的混合方式，用水坝将水位提高，再建水道将水引到下游去发电。
三、水力发电站按水的运行方式的分类
1．抽水蓄能发电站 在夜晚轻负荷时，大容量的核电站和火力发电厂的设备利用率下降，产生剩余电能。利用这些多余的电能，用泵将下游水库的水，抽到上游的水库中储存，在重负荷时，再利用上游水库的能量发电。
13 按照安装泵的方法分，有既作水轮发电机又作抽水泵的可逆式抽水蓄能发电站及发电机、抽水泵分别安装的独立式抽水蓄能发电站。
2．径流式发电站 它不调节河水的流量，是利用自然河水的发电方式，这种发电站的建设成本较低。但是，当河水流量大时，要放弃一部分水，在枯水期，发电量必须减少。
3．调节式发电站 建一个取水坝，在水路途中建一调节水库，当自然流量少发电站用水不足，或负荷增大时，使用调节水库的水发电。
4．水库式发电站 这种发电站的水库比调节水库大，可以贮存溶化的冰雪、梅雨、台风水等，可以调节河流流量的季节变化。
1.2.5 火力发电站
一、火力发电原理
火力发电就是将石油、煤、液化天然气等矿物燃料所具有的热能通过水蒸气转换成机械能，再推动发电机转动，产生电能。
二、火力发电厂的构成
1．锅炉是将燃料的能量高效地转化为热能的装置。它燃烧煤炭、重油、液化天然气等燃料产生蒸汽，其辅助设备有燃烧器、空气预热器和通风设备等。
2．汽轮机是将蒸汽所具有的热能转换成机械能，而后推动发电机的装置。按蒸汽的作用方式可分为：冲动式汽轮机、反动式汽轮机和冷凝式汽轮机等。
3．冷凝、给水设备是将汽轮机排出的蒸汽冷凝为冷凝水，而后经冷凝水泵将该冷凝水作为给水送到锅炉去的装置。它包括冷凝处理、加热和锅炉给水全套设备。
4．汽轮发电机是将汽轮机机械能转换成电能的装置。汽轮机的转子带动发电机转子转动发电，再经过变压器升压，送到电网中。大型发电机的端电压为15~30kV(线电压)，中、小型发电机的端电压一般为3.3~11kV。每台发电机接一台主变压器，变压器的容量可达230~1100MVA,高压侧的线电压为66~500kV。
5．火力发电厂的运行控制是由中央调度所大型计算机实施的。
6．建设地点：为了确保燃料供应和冷却水等条件，火力发电厂大多建立在江河沿岸、沿海地带或煤炭、石油、天然气产地附近。但在工业区和城镇附近，也建有中小型热电厂，以便就近供电及供蒸汽。
14 *1.2.6 核能发电站
一、核能发电原理
核电站是利用铀燃料原子核裂变过程中释放的核能来发电的。铀燃料的原子核受到外部热中子轰击时，会产生原子核裂变，分裂为两个原子核，并释放出大量的热量。该热量将水变为水蒸气，然后把它送到汽轮机发电，其原理同火力发电一样。
二、核燃料
1．核电站中使用的是将铀235的比例浓缩成2%~4%的核燃料棒，在长时间内渐渐地将能量放出发电。
2．铀235的原子核，每次裂变会产生能量，并放出2~3个高速的中子。在轻水反应堆中，减速为核裂变物质容易吸收的热中子，再轰击稳定的原子核，引起核裂变连锁反应。在反应堆中通过控制棒吸收热中子来调节核裂变的连锁反应。
3．占97%不能燃烧的铀238，会吸收在核裂变时放出的中子，其中0.6%变为钚239，钚239也会产生原子核裂变，在裂变的同时释放出能量。将核燃料放入反应堆之后，钚随着燃料的燃烧而增加，核电站三年累计发电量的30%是由钚发电的。
4．乏燃料，核燃料燃烧后被消耗而减少，最终就不会进行连锁反应，成为乏燃料。要用钢铁和铅做成的屏蔽容器贮藏冷却许多年后，运回工厂再进行化学处理，分离回收铀，以便经浓缩后重新使用，这称之为核燃料循环。然后将分离后剩下的核生成物硝酸溶液（废液），再和水泥材料混合，固化在不锈钢容器中，放在地下数百米深的地下层中长期储存。
三、核电站的系统、设备和工作原理
压水堆核电站主要由核反应堆、一回路系统、二回路系统及其他辅助系统所组成。 1．核反应堆是核电站动力装置的重要设备。它是用低浓缩铀作核燃料，实现可控制链式裂变反应的装置，堆内用轻水作慢化剂和冷却剂。
2．一回路系统
高压的冷却水由主循环泵压送流经反应堆，吸收核燃料裂变放出的热能后，流进蒸汽发生器，通过蒸汽发生器再将热量传递给在管外流动的二回路给水,使它变成蒸汽；此后，再由主循环泵将冷却水重新送至反应堆内。如此循环往复，构成一个密闭的循环回路。一回路系统的压力由稳压器来控制。
3．二回路系统是将蒸汽的热能转化为电能的装置。二回路给水吸收了一回路的热量后成为蒸汽，然后进入汽轮机做功，带动发电机发电。做功后的乏气排入冷凝器内，凝结成水，然后由凝结水泵送入加热器，加热后重新返回蒸汽发生器，构成二回路的密闭循环。
15 *1.2.7 风力发电
风能（约210W）比可开发利用的水利资源总量还要大10倍。
风力发电机是将风能转换成机械能，再把机械能转换成电能的机电设备。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机构将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度，便可以开始发电。风力发电机通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。
风轮的作用是吸收风能，并将风能转变成机械能，再由风轮轴将能量送给传动装置。 机头座用来支撑塔架上方的所有装置及附属部件，它牢固与否将直接关系到风力机的安危与寿命。
回转体（转盘）是塔架与机头座的连接部件，机头座安装在回转体的内圈上，并通过固定在塔架上的外套之间的轴承和对风装置相连，在风向变化时，机头便能水平地回转，使风轮迎风工作。
调速装置，在风速大于额定风速时起限速作用，当风速增至停机风速时，调速装置能使风轮停机。
风力发电机也可由手刹车机构控制其停机。
发电机是将由风轮轴传来的机械能转变成电能的设备。风力发电常用的发电机有4种。 （1）直流发电机
常用在微小型风力发电机上，直流电压为
12、
24、36V等。中型风力发电机上也有采用直流发电机的。 （2）永磁发电机
常用在小型风力发电机上，中、大型风力发电机上一般不用。其电压为1
15、127V等，有交流也有直流。最近我国发明了交流电压440V/240V的高效永磁交流发电机，可以制成多极低转速，比较适合风力发电机用。 （3）同步交流发电机
它的电枢与主磁场同步旋转，其工作原理参见1.2.3节。 （4）异步交流发电机
异步交流发电机的电枢与主磁场不同步旋转，其转速略比同步转速低，当并网时它的转速应高于或等于主磁场转速。
16 16 *1.2.8 其它发电方式
电能除了用上述几种方式提供外，目前正在开发利用的还有磁流体发电、地热发电、海洋发电等。
一、磁流体发电
1．磁流体发电是利用高温导电流体高速通过磁场，在电磁感应的作用下，将热能转换成电能。
2．磁流体发电具有以下特点： （1）效率高 总效率可达52%。
（2）起动快
可以在几秒钟内达到额定负荷。因此磁流体发电机可作为特殊试验用的脉冲电源或尖峰负荷电源，这是其它发电方式无法比拟的。
（3）环境污染少
磁流体-蒸汽联合电站的热效率高，热污染大大减少。采用了多种措施减少排烟废气中的二氧化硫，氧化氮等污染物的排放。 （4）结构简单，制造方便
二、地热发电 1．地热资源
（1）水热资源 其温度从室温到360C不等，约占已探明地热资源的10%。 （2）地压资源 温度处于150~260C之间，储量大约是已探明地热资源的20%。 （3）干热岩 它是地层深处具有150~650C的固体热岩层，其储藏的热能占已探明地热资源的30%。
（4）熔岩，它是650~1200C处于熔化状态的熔岩，其埋藏部位最深，约占已探明地热资源的40%。
2．地底深处储留层的地热流体温度在200C以上，当储留层的温度高时，利用地热流体使部分热水汽化，这种发电称为闪蒸方式。
3．在储留层的温度低时，可采用另外的发电方式。即将热水抽上来，通过热交换器，加热二次媒体（沸点低的媒体）将它变成气体，驱动热介质汽轮机旋转。
三、海洋发电
1．潮汐发电
潮汐发电和水力发电的原理差不多。它是在海湾或有潮汐的河口上建筑一座栏水堤坝，形成水库，并在坝中或坝旁放置水轮发电机组，然后利用潮汐涨落时海洋水位的升降，使海水通过水轮机时转动水轮发电机组发电。
2．波浪能发电
海洋波浪具有很大的能量，每平方公里海面上，波浪的功率可达
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010~20万kW。目前波浪能发电装置就原理来说大致分为三种：① 利用海面波浪的上下运动产生空气流或水流而使轮机转动；② 利用波浪装置前后摆动或转动产生空气流或水流而使轮机转动；③ 把低压大波浪变成小体积高压水，然后把水引入某一高位水池积蓄起来，使其产生一个水头，从而冲动水轮机。波浪发电装置可以浮在海上，也可建在海岸，成为固定式发电装置。同时也可以把许多几千瓦的小功率波浪发电装置串接起来，产生较大的功率。
3．海洋温差发电
它是利用海洋的表层温水和1000米深处以下的冷水之间有20C左右的温差进行发电。其工作过程为：由温水泵吸取海洋表层温水，在蒸发器中使氨气气化膨胀为蒸汽，做功推动汽轮机转动发电。来自汽轮机的蒸汽用冷凝器中流过的深海冷水冷却成氨水，再泵入蒸发器完成循环。
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图1-30
海洋温差发电原理
海洋温差发电装置设置在海洋中，发电站的结构型式有浮体式、半潜水式和潜水式三种。它发出的电力有以下几种利用方法：① 发电站在离陆地150km以内的地方时，可用海底电缆向陆上的变电站送电。② 离陆地较远的发电站，可利用产生的电力，蒸发海水制造淡水；或将水电解得到氢和氨，用船运往陆地，作为汽车和火电厂的燃料。③ 利用电站的电力从浓缩海水中提取铀和重水，运往陆地供核电站用。 ④ 利用电站的电力从海水中提取稀有金属，如锂。⑤ 向海上采油、采矿工程供电。海洋温差发电不消耗能源，又无污染，同时可能做到大规模连续发电，是很有发展前途的。
