第五章 形态各异的电源

人类每时每刻每处都在使用电这种清洁能源，当我们享受它所带来的便利生活的时候，您可曾想过它是怎么来的？其实，电有好几个“家”，正是这些从不同的“家”里走出来的电，为人类创造了幸福的生活。
 
火力发电站
火力发电是现在电力发展的主力军，火力发电是利用石油、煤炭和天然气等燃料燃烧时产生的热能来加热水，使水变成高温、高压水蒸气，然后再由水蒸气推动发电机来发电的方式。
以煤、石油或天然气作为燃料的发电站统称为火电厂。火电厂按燃料可分为燃煤发电厂、燃油发电厂、燃气发电厂、余热发电厂、以垃圾及工业废料为燃料的发电厂，按原动机可分为凝气式汽轮机发电厂、燃气轮机发电厂、内燃机发电厂、蒸汽—燃气轮机发电厂等，按输出能源可分为凝汽式发电厂（只发电）、热电厂（发电兼供热），按蒸汽压力和温度可分为中低压发电厂（3.92兆帕，450度）、高压发电厂（9.9兆帕，540度）、超高压发电厂（13.83兆帕，540度）、亚临界压力发电厂（16.77兆帕，540度）、超临界压力发电厂（22.11兆帕，550度），按发电厂装机容量可分为小容量发电厂（100兆瓦以下）、中容量发电厂（100～250兆瓦）、大中容量发电厂（250～1000兆瓦）、大容量发电厂（1000兆瓦以上）。
火力发电系统主要由燃烧系统（以锅炉为核心）、汽水系统（主要由各类泵、给水加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成）、电气系统（以汽轮发电机、主变压器等为主）、控制系统等组成。
燃烧系统是由输煤、磨煤、粗细分离、排粉、给粉、锅炉、除尘、脱硫等组成。燃烧系统是由皮带输送机从煤场通过电磁铁、碎煤机然后送到煤仓间的煤斗内，再经过给煤机进入磨煤机进行磨粉，磨好的煤粉通过空气预热器来的热风，将煤粉打至粗细分离器，粗细分离器将合格的煤粉（不合格的煤粉送回磨煤机）经过排粉机送至粉仓，给粉机将煤粉打入喷燃器送到锅炉进行燃烧。而烟气经过电除尘脱出粉尘再将烟气送至脱硫装置，通过石浆喷淋脱硫脱出硫的气体经过吸风机送到烟筒排入天空。
汽水系统是由锅炉、汽轮机、凝汽器、高低压加热器、凝结水泵和给水泵等组成，包括汽水循环、化学水处理和冷却系统等。
水在锅炉中被加热成蒸汽，经过热器进一步加热后变成过热的蒸汽，再通过主蒸汽管道进入汽轮机。由于蒸汽不断膨胀，高速流动的蒸汽推动汽轮机的叶片转动从而带动发电机。
发电系统是由副励磁机、励磁盘、主励磁机（备用励磁机）、发电机、变压器、高压断路器、升压站、配电装置等组成。发电是由副励磁机（永磁机）发出高频电流，副励磁机发出的电流经过励磁盘整流，再送到主励磁机，主励磁机发出电后经过调压器以及灭磁开关经过碳刷送到发电机转子，当发电机转子通过旋转其定子线圈便感应出电流，强大的电流通过发电机出线分两路，一路送至厂用电变压器，另一路则送到SF6高压断路器，由SF6高压断路器送至电网。
我国目前最大的火电厂是浙江北仑港电厂，装机总容量为300万千瓦，有5台60万千瓦的机组。
核  电  站
现在世界上有很多核电站，核电站是利用一座或若干座动力反应堆所产生的热能来发电或发电兼供热的动力设施。它以铀作为核燃料在“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，蒸汽推动汽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。
反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行。目前，世界上的核电站有压水堆、沸水堆、重水堆和改进型气冷堆以及快堆等种类。
核电站的设备除了核反应堆外，还有主泵、稳压器、蒸汽发生器、安全壳、汽轮发电机、冷凝器和危急冷却系统等重要设备。
核电站的核能主要来源于铀-235的核裂变。在自然状态下，它的核反应是一种不可控制的正反馈，科学家可以通过控制棒对核反应进行适当控制。
核电是一把双刃剑，它造福人类的同时，也可能给人类带来巨大的灾难。1986年4月26日在乌克兰发生的切尔诺贝利核电站爆炸，是人类和平利用核能史上最严重的一次核灾难，它造成的影响需要800年才能消除。
 
水  电  站
水能是一种最清洁的能源，它具有可再生性。水电站可以将水能转换为电能。常规水电站和潮汐电站机电设备包括水轮机、水轮发电机组成的水轮发电机组、附属的调速器、油压装置、励磁设备、发电机电压配电设备、升压变压器、高压配电装置和监视、控制、测量、信号和保护性电气设备等。
水库的高水位水经引水系统流入厂房推动水轮发电机组发出电能，再经升压变压器、开关站和输电线路输入电网。
世界上规模最大的水电站是中国的三峡水电站，它坝长2335米，底部宽115米，顶部宽40米，高185米，正常蓄水位175米。水库全长600余千米，水面平均宽度1.1千米，总面积1084平方千米，总库容393亿立方米，其中调洪库容约220亿立方米。三峡水电站的电力供应遍及大半个中国。
 
风力发电站
风力发电也是清洁可再生的能源形式。风力发电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。
目前，世界各国比较普遍采用的是小型风力发电系统。它的效率很高，它由风力发电机、充电器、数字逆变器三大部分组成。其中，风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。
风力发电机输出的是13～25伏变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后由保护电路的逆变电源把电瓶里的化学能转变成交流220伏的电，才能保证稳定使用。
家庭用风力发电机，不但可以防止停电，而且还能增加生活情趣。它广泛用于旅游景区、边防、学校、部队乃至落后的山区。
地热发电站
地球拥有丰富的地热资源，地热能来自地球深处，它起于地球的熔融岩浆和放射性物质的衰变。地下水的深处循环和来自极深处的岩浆侵入到地壳后，把热量从地下深处带至近表层。它大部分集中分布在构造板块边缘一带，这些区域也是火山和地震多发区。它不但是无污染的清洁能源，而且也是可再生的。
地热发电是利用液压或爆破碎裂法把水注入到岩层，产生高温蒸汽，然后将其抽出地面推动涡轮机转动使发电机发出电能。在这过程中，将一部分没有利用到的高温蒸汽或者废气，经过冷凝器处理还原为水送回地下，这样循环往复。
地热资源主要有蒸汽型和热水型两类，因此相应地，地热发电也分为一次蒸汽法和二次蒸汽法两种。一次蒸汽法直接利用地下的干饱和（或稍具过热度）蒸汽，或者利用从汽、水混合物中分离出来的蒸汽发电。二次蒸汽法有两种，一种是不直接利用比较脏的天然蒸汽（一次蒸汽），而是让它通过换热器汽化洁净水，再利用洁净蒸汽（二次蒸汽）发电。另一种是将从第一次汽水分离出来的高温热水进行减压扩容生产二次蒸汽，压力仍高于当地大气压力，和一次蒸汽分别进入汽轮机发电。
地热水中的水是不能直接送入汽轮机去做功的，必须以蒸汽状态输入汽轮机做功。目前对温度低于100℃的非饱和态地下热水发电，有两种方法：一是减压扩容法，利用抽真空装置，使进入扩容器的地下热水减压汽化，产生低于当地大气压力的扩容蒸汽然后将汽和水分离、排水、输汽充入汽轮机做功，这种系统称“闪蒸系统”。另一种是利用低沸点物质作为发电的中间介质，地下热水通过换热器加热，使低沸点物质迅速气化，利用所产生气体进入发电机做功，做功后的介质从汽轮机排入凝汽器，并在其中经冷却系统降温，又重新凝结成液态介质后再循环使用。这种方法称“中间介质法”。
20世纪90年代中期，以色列奥玛特公司把地热蒸汽发电和地热水发电两种系统合二为一，设计出一个新的被命名为联合循环地热发电系统，该机组已经在世界一些国家安装运行，效果很好。
我国地热资源非常丰富，仅天然露出的地热泉就有2000多个。北京、天津、西藏、广东、河北、福建、湖南等20个省市都在积极开发利用地热。广东是地下热水丰富的省份，我国最早的地热发电站就建在该省的丰顺县境内。西藏有个羊八井，那里既没有庞大的锅炉，也没有煤栈，却能不断地输送出电来，这就是全国闻名的羊八井地热电站。
 
潮汐发电站
潮汐发电是水力发电的一种形式。利用潮汐发电必须具备两个条件：一是潮汐的幅度必须大，至少要有几米；二是海岸地形必须能储蓄大量海水，并可进行土建工程。潮汐发电的工作原理与一般水力发电的原理是相近的，即在河口或海湾筑一条大坝，以形成天然水库，水轮发电机组就装在拦海大坝里。当海水（或江水）的水位上涨时水库蓄水，当海水（或江水）的水位下落时，水库水位与外海潮位之间形成一定潮差，堤坝出水口处的水轮发电机组受到海水（或江水）驱动而发电。
潮汐发电站有三种形式：单库单向电站、单库双向电站和双库双向电站。
潮汐发电主要有以下两种形式：
一是潮流式系统。这是利用海水流动的动能推动涡轮发电机，与风推动风车的方式类似。这是目前比较常用的方式，因为成本比较低廉，而且对生态环境的影响比较小。
二是堰坝式系统。这是利用海水潮汐高低差的位能。这种系统由于需要建造堰坝等相应土木工程，所以成本较高。还有对环境影响的问题，这种系统在世界上很少。
近代涡轮技术的进步，有助于潮汐发电系统大量安装在海中，支持电力的供应。特别是潮流式发电机的设计。潮流式发电机可以安装在水流汇集、速度高的区域，几乎所有河川流入海湾或是汇流、水流集中的区域，都属于这样的地区。
在欧洲利用潮汐推动磨坊已经有上千年的历史，主要用于研磨谷物。
1913年，德国在北海海岸建立了世界上第一座潮汐发电站。1957年，中国在山东建成了中国第一座潮汐发电站。1967年，法国朗斯潮汐发电站建成，这是世界上第一座具有经济价值，也是目前世界上最大的潮汐发电站。
生物质能发电站
生物质能是指从生物质转化产生的能。常用的生物质包括农作物、薪材、草、木、人畜粪便、工农业有机废物、有机废水等。这些生物质能都直接或间接地来源于绿色植物，因此，它又称“绿色能源”，实质上它是物化的太阳能。据计算，每年全球靠光合作用可产生生物质能1200亿吨，其所含能量是当前全球能耗总量的5倍。
由于生物质能的数量巨大，同时转化过程中很少或不产生污染物，世界各国都正在开发深度利用高效生物能的转换技术，使生物质成为具有广泛用途的热能、电能和动力用燃料。
转化技术有两种：
一种是通过液化将生物质转化为酒精。燃烧1千克酒精，可以放出29726千焦的热量，比普通煤的发热量高。而且酒精是液体能源，便于使用、贮存、运输。普通汽油发电机稍加改装，就可以用纯酒精作燃料。如果用汽油和酒精的混合物来开汽车，汽车发电机甚至不需改装就可以使用。1升酒精可以驱动汽车在公路上行使16千米。
酒精是用淀粉、糖等有机物经过微生物发酵作用生产出来的。含有淀粉和糖的生物质很多，包括甘蔗、甜菜、玉米、高粱、木薯、马铃薯以及水草、藻类等，它们都可以是生产酒精的原料。
另一种是通过发酵过程制作以甲烷为主的沼气。我国每年作为农家燃料烧掉的柴草合标准煤2亿吨，占全国总能耗的15％。但能量的利用效率比较低。
利用人畜粪便和秸秆为主要原料发展沼气池，既解决了家用燃料问题，又保持了农田肥力，减少化肥对水的污染。1990年，我国就有400多万户使用小沼气池，年产沼气10多亿立方米，沼气电站装机2000多千瓦，我国目前是户用沼气池最多的国家。
目前，我国很多的大型城市污水处理厂，利用处理厂中的固体废物进行沼气发酵，产生的沼气用来发电。在英国的5000多个污水处理厂中，有1/3是用通过发酵所产生的沼气作为动力的。法国在南部利摩日地区建造了两座垃圾发酵处理站，每年处理垃圾8.45万吨，每小时生产沼气800立方米，这些沼气已供一些工厂和煤气公司使用。
在最近10多年中，美国已建成生物发电的容量达400多万千瓦，主要是采用木材及木制品工业废料气化后的气体燃料发电。国外结合治理城市环境污染，开始进行垃圾发电，技术已经成熟。现在日本就运行约100座垃圾电站，并计划把垃圾电站的装机容量发展到400万千瓦。因此，利用生物质能发电是当今新能源发电的新趋势之一。
我国是一个农业大国，物质能资源非常丰富，年资源量为薪材3000万吨、秸秆4.5亿吨、稻壳0.15亿吨，另外还产生大量的城市排放的生活污水、垃圾、工业废水等。
利用生物质能发电在我国目前还是小规模、小范围的利用，稻壳转化发电容量只有5000瓦，沼气发电装置只有140个左右，总容量也只有2000千瓦。
 
干  电  池
干电池是一种化学电源，是一种把化学能转变为电能的装置。因为它的电解质是不能流动的糊状物，所以被称为干电池。
干电池的用途广泛，它不仅适用于手电筒、半导体收音机、收录机、照相机、电子钟、玩具等日常生活领域，而且也适用于国防、科研、电信、航海、航空、医学等国民经济中的各个领域。
随着科学技术的发展，干电池已经发展成为一个大的家族，到目前为止已经有100多种。常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池、锌-空气电池、锌-氧化汞电池、锌-氧化银电池、锂-锰电池等。
锌-锰干电池是使用最多的一种电池，根据其结构的不同又可分为糊式锌-锰干电也、纸板式锌-锰干电池、薄膜式锌-锰干电池、氯化锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、四极并联锌-锰干电池、迭层式锌-锰干电池等。
锌-锰干电池是一种一次性电池，它以二氧化锰为正极，以锌筒为负极，把化学能转变为电能供给外电路。在化学反应中由于锌比锰活泼，锌失去电子被氧化，锰得到电子被还原。
锌-锰干电池的一节叫做电池的一个单体。锌-锰干电池的一个单体是由如下部分组成的：锌筒、电解质层、炭包、炭棒、铜帽、封口剂、电池盖和商标、热塑套（或铁皮）等。
锌筒是电池的容器，又是电池的负极。它是一种溶解电极，在电池的放电过程中，锌被逐渐溶解掉。
在糊式锌-锰干电池中，其电解质层是由浓缩的氯化铵水溶液、淀粉及少量氯化锌、微量的汞等混合成的糊状物；在板式锌-锰干电池中，是用纸板层代替了糊式锌-锰干电池中的电糊层。纸板层比电糊层薄得多，所以同样体积的电池，纸板式干电池的炭包比电糊式干电池的炭包体积可以做得大些，干电池的放电容量也大些。纸板是由不含金属杂质的优质牛皮纸为基纸，涂上调好的电糊烘干而成的；在迭层式锌-锰干电池中，电解质层是一种隔膜纸，它是一种吸有电解液的表面有淀粉层的浆纸层。
炭包是由二氧化锰糊混合入导电材料石墨或乙炔混合而成的，它是干电池的正极。炭棒位于炭包的中央，是炭包的集流体，在它的顶端装有铜帽，是电池的正极端。封口剂对电池起密封作用，大部分电池是用沥青做封口剂的，也有用树脂或石腊做封口剂的，有了封口剂才能防止电池内部水分的蒸发及漏液。
电池盖多数由塑料制成，起保护作用。
蓄  电  池
目前，蓄电池主要有铅蓄电池、镍-镉可充电电池、银-锌蓄电池等种类。其中，镍-镉可充电电池广泛用于收录机、电话机等设备；银-锌蓄电池是一种高能电池，它质量轻、体积小，是人造卫星、宇宙火箭、空间电视转播站等的电源。
铅蓄电池的构造是用含锑5～8的铅锑合金铸成格板，在格板上分别填充二氧化铅和铅作为正极和负极，二者交替排列而成。在电极之间注入30％的硫酸溶液。
铅酸蓄电池的价格最低，也最常用。其含污染的成分比较少，可回收性好。缺点是在同样的容量下，电池重量和体积都大。
铅酸蓄电池是由电解液（硫酸）、壳体、隔板、极板、栅格和不同的封闭形式构成的。当蓄电池充满电荷时，极板呈二氧化铅和绒状铅，电解液的浓度达到最高点。随着放电终了，极板上形成硫酸铅，而电解液的浓度下降到最低。
蓄电池的充电和放电是一个化学反应和还原的过程，这个过程不仅相对缓慢，而且还受环境温度的影响。温度越低能够充入的电量就越小。
当蓄电池衰老到原有容量的75％时，即为寿命终止，但这时蓄电池还可以勉强继续使用。
由于铅蓄电池的电压稳定，使用方便、安全、可靠，又可以循环使用，因此被广泛用于国防、科研、交通、生产和生活中。
太阳能电池
在目前技术水平下，太阳能的利用可分为两大类：一是太阳能转换为热能，二是太阳能转换为电能。其中，太阳能转化为热能是技术上最成熟的一种。
太阳能具有取之不尽、用之不竭、清洁卫生等特点，它不仅是一种古老的能源，也是一种理想的未来能源。
太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
光—热—电转换方式是通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸汽，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样。
光—电直接转换方式是利用光电效应将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
太阳能电池具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其他电源无法比拟的。
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世界上最早的发电站
世界上最早的发电站是在1875年法国巴黎建造的一座火电站，四年后的l879年，美国旧金山的电厂首先开始出售电力。到了20世纪30年代后，电力取代了蒸汽，成为社会的主要动力。
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大亚湾核电站
大亚湾核电站是我国引进国外资金、设备和技术建设的第一座大型商用核电站。它位于广东省深圳市的大鹏镇，占地面积为2平方千米。核电站安装有两台单机容量为984兆瓦压水堆反应堆机组。目前70％的电量供应香港，30％供应广东。
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多大风力才能发电
对于风力发电机来说，风速大于每秒4米才适宜发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速每秒为9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，机组的输出功率为38千瓦；当风速每秒为6米时，机组的输出功率只有16千瓦；而风速为每秒5米时，机组的输出功率仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。
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我国最大的地热电站
羊八井是我国最大的地热电站，也是世界上唯一一座利用地热潜层热储进行工业性发电的电厂。羊八井盆地位于拉萨市西北约90千米，系念青唐古拉山南缘的一个狭长带状断陷盆地，呈北东至南西向延伸，长约90千米，宽1～10千米，面积约450千米。盆地南北两侧的山峰海拔在5500～6000米以上，从地下汩汩冒出的热水奔流不息、热气日夜蒸腾，是一个游人游览的好地方。
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太阳能电池的原理
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。