电学原理4—发电原理

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1、发电厂

发电厂或者借助水力带动水车旋转，或者借助火力或核能所产生的蒸汽使蒸汽机运转，再利用汽轮机所产生的力使发电机运转从而产生电力。

发电厂制造的电

发电厂的发电原理利用的是弗莱明右手法则。实际上，由于导体在磁力线中进行旋转运动，因此会随时间产生出大小和流动方向如波浪一般，且反复变化的电流。由此产生的电压在电线与磁力线呈直角相切时值最大，而磁力线的方向和电线的移动方向相同时电压为0。

导体产生的电

发电机制造的电

发电机生产出来的电称为交流电，也就是发电厂送到千家万户的插座里的电。导体在磁力线中旋转1次产生的波即为1个波，导体每秒回转50次，也同样产生50个波。此即为频率50 Hz(赫兹)的电。

中国一般的插座电压为交流电220V。这种电力的波的最大值约为311V。220V的值代表有效值，这是直流电执行相同工作时的电压值。换句话说，对相同电阻施加直流电220V时所产生的热量，和施加交流电220V所产生的热量相同。

交流电压和有效值

2、火力发电

如今发电量最多的火力发电(Thermal Power Generation)中，分别有传统蒸汽动力发电(Steam Power Generation)、内燃动力发电(Internal Com-bustion PowerGeneration)、燃汽涡轮发电(Gas Turbine Generation)、复循环发电(CombinedCycle)等几种。

蒸汽动力发电以锅炉燃烧石油、煤、液化天然气等燃料，产生高温、高压的蒸汽后，再以蒸汽产生的力转动和发电机相联接的汽轮机进而发电。

蒸汽动力发电

用于发电的蒸汽，用冷凝器(Condenser)冷却后变成水再送回锅炉；内燃动力发电是利用柴油引擎(Diese Engine)等的内燃机来发电；燃气涡轮发电是用煤油、轻油等气体来推动燃气涡轮发电；复循环发电是传统蒸汽动力发电及燃气涡轮发电的组合。因为这是先以燃气涡轮机发电，再以排气的热来产生蒸汽，使蒸汽涡轮机运转发电的设备，因此为热效率极佳的发电方式。

复循环发电

3、核能发电

核能发电是指在反应堆(Reactor)中，用铀(Uran)进行核分裂时产生的热来制造高温、高压的蒸汽，再带动汽轮机运转从而发电。铀235和中子碰撞后，原子核会分裂成两个，此时会发射出数个中子及热。接着中子又会继续和其他的铀235发生碰撞，引起核分裂，并产生大量的热能。

核能发电以此热能来制造蒸汽，和火力发电一样，利用蒸汽推动汽轮机来发电。在反应堆中使用吸收中子的控制棒(Control Rod)和减慢中子速度的减速材料(缓和剂)来控制核分裂，并调节反应堆的产出。

铀235的核裂变

反应堆有许多种类，而目前最常用的是用轻水(普通的水)作为减速材料及冷却材料的轻水反应堆(Light-Water Reactor,LWR)。而轻水反应堆中又分为沸水式反应堆(Boiling Water Reactor,BWR)及压水式反应堆(Pressured Water Reactor,PWR)。

沸水式反应堆直接将反应堆压力容器中所产生的蒸汽送至汽轮机，推动汽轮机运转后，蒸汽再经过冷凝器复原成水后再利用。冷凝器是将海水等用于发电的蒸汽加以冷却后形成水，并再利用的装置，因此也可用于火力发电。

沸水式反应堆

压水式反应堆是将在反应堆压力容器中产生的热水送到蒸汽产生器，并将来自次回路的水加热为蒸汽，再推动汽轮机运转。

压水式反应堆

4、水力发电

水力发电是利用水的位能(Water Potential)来发电的。水坝式发电则是在较高的场所蓄水，再由此使水流下，以推动与发电机相连的水车来发电。

水坝式发电

水力发电在开始或停止发电以及发电量的增减上，较火力发电及核能发电简单一些，因此可根据不断变化的电力需求量来控制发电量。此外，在电力需求较小的时间带，可以使用水泵将水抽上来，作为位能储存起来。

水力发电可有效地利用水的能量，因此可根据水位的落差与水量的不同，分别使用不同类型的水轮机。

在水流量多，且具中高水位落差的地点通常使用弗兰西斯水轮机(FrancisTurbine)。它是由导水管以全方位垂直进水，以水冲撞叶片内侧产生动能而转动的水轮机。

弗兰西斯水轮机

佩尔顿水轮机(Pelton Turbine)是将由管嘴喷出的水，冲撞碗型的戽斗(叶片)，以反作用力来转动的水轮机，适用于高水位落差的场所。

佩尔顿水轮机

卡布兰水轮机(Kaplan Turbine)是将连接在轴上的数枚螺旋桨形状的叶片，配合水的流量及落差的变动，而改变角度来旋转的水轮机，多适用于低水位落差的场所。叶片的角度无法改变的类型称为螺旋桨型水轮机(Propeller Turbine)。

卡布兰水轮机

5、风力发电

风力发电是利用风力来推动风车，以风车产生的力使发电机运转从而发电的发电方式。

螺旋桨型风车

风力发电用的风车有许多种类，而最常被使用的是风能利用效率高的螺旋桨型风车。此类风车以风车翼来迎风，并引发回转运动，再借由加速器来提升回转速度以使发电机运转。此外，时常以风向计来计测风的状态，透过调整螺旋桨的方向或风车翼角度至最佳状态，以期更充分地利用风力。

风力发电的电力供给会受风向及风速的变动影响，且风车回转时产生的噪声也是个问题，然而这种发电方式由于不需燃料且不会排放气体，因此是比较环保的发电方式。

6、电池发电

将电池大略分类，可分为利用化学反应的“化学电池”,和利用光能或热能的“物理电池”。

电池种类

化学电池的工作原理约在200年前由物理学家伏打发现。伏打发现了将两种不同的金属放入电解质等可通电的液体中将会产生电流。

在稀硫酸中放入铜板和锌板，并将它们用导体连接起来。由于锌比铜更易形成离子，因此锌的原子会在锌板留下电子，而形成锌离子( )，并溶于稀硫酸中。

由于铜板几乎无法溶解，因此在锌板上只会增加与锌所溶出离子等量的电子数，这些电子通过导线流向铜板。

稀硫酸中存在着氢离子 和硫酸根离子 。在稀硫酸中产生锌离子后，比锌不易形成离子的氢离子 ,会和朝向铜板移动的电子结合，形成氢气。

像这样电子被消耗后，电子又会从锌板移动到铜板。就会形成电流。

伏打电池中由化学反应所产生的氢气会渐渐地覆盖到铜板表面，从而成为产生反电动势的原因。如此一来就不能当电池使用了。

因此，电解液中会加入做为氧化剂的过氧化氢，将氢气氧化形成水。此氧化剂就称为“去极剂”。

7、水的电解与燃料电池

简单来说，水的电解就是在水中通电，制造出氧气和氢气。然而，由于水不易导电，因此实验时，通常会在水中放入氢氧化钠。通电后，两个电极分别会产生氢气和氧气。

若将电源从已电解的水溶液中拿走，再接上负载后，被分解的氢和氧会结合，从而产生电和水，然后是热量，这就是燃料电池的原理。

此外，若可持续供应氢气和氧气，倒可持续制造出电流。

8、温差电池

将两种金属的两端连接起来形成回路，只要使接合部位的温度有所差异，就会产生电流喔!

所以用铜线缠绕铁钉再点火，便会产生少量电流。

温差电池的接合部的温度差越大，则产生的电流也会越大，只要有温度差存在，电流便会持续产生。这两种金属的接合部位就称为“热电偶!”。只要和电流计相组合，就可做为温度计使用。

此外，若将热电偶与直流电流相接，使电流流动时，会出现一边的热电偶吸热，另一边则发热的现象。