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可再生能源电力系统
电力工业以及燃气轮机
3.3.多相同步发电机
除了使用内部内燃机、燃料电池或光伏发电产生的少量电力外，电力行业的基础是在某些能源上迫使流体（蒸汽、燃烧气体、水或空气）通过涡轮叶片，使轴旋转。 因此，发电机的功能是将涡轮机轴的旋转能量转化为电能。
3.3.1简单发电机
发电机都是基于由迈克尔法拉第在1831年发现的电磁感应的基本概念。法拉第发现导体通过磁场产生电磁力（EMF），或 电线上的电压，如图3.9a所示。发电机，非常简单，是一种部件的排列，其设计目的是使磁场和感应电动势的导体之间产生相对运动。电从这些导体中流出，发出的地方称之为电枢。大多数大型发电机的电枢绕组固定在机器的静止部分（称为定子），必要的相对运动是由旋转磁场引起的，如图3.9b所示。
为了帮助说明交流的产生，考虑图3.10所示的简单发电机。在这种情况下，转子只是一个2极磁铁（1个北极和1个南极），目前我们可以认为它只是一个普通的永磁体。定子由铁组成，形状有点像C（在本例中是向后的），一些铜线（电枢）缠绕在铁上。定子中的铁的作用是为磁力线提供一个低磁阻路径，使尽可能多的磁力线通过铜电枢绕组。你可以从第一章回忆起，铁磁材料（如铁）的低磁阻导致磁通量倾向于留在铁中，这与希望留在铜线中的载流电子完全相似。正如低电阻铜线允许更多的电流流动一样，低磁阻铁磁材料也允许更多的磁通量（然而磁通量不会“流动”）。
Conductor-导体 magnetic field-磁场 motion-运动 voltage-电压
Armature conductors-电枢导线 rotor-转子 stator-定子 load-负载
当转子转动时，磁通量沿一个方向通过定子和电枢绕组，然后减小为零，然后图3.9中的电压和电流增加可以通过（a）通过磁场移动导体，或（b）通过导体移动磁场来产生。电枢绕组用一个“X”表示电流流入页面，用一个点表示电流流出页面（X的意思是像一个箭头的羽毛从你身上移开，点是箭头指向你的点）。
Flux lines-通量线
图3.10：当永磁转子转动时，它使铁定子内的磁通量（近似）呈正弦变化。因此，定子周围的绕组会看到一个随时间变化的磁通量，从而在其端子上产生电压。
图3.11 改变定子中的磁通量会在绕组上产生一个EMF电压。
其他方向。理想情况下，磁通量phi;会如图3.11a所示呈正弦变化。根据法拉第定律，每当一个绕组连接一个时变磁通量phi;时，就会在整个绕组上产生一个电压e（电动势）：
(3.1)
3.3.2单相同步发电机
假设我们希望在60赫兹的频率下产生电压，这样它就可以匹配常规（美国）电源的频率。图3.10中简单发电机的转子必须转动多快？转子每转一圈就产生一个电压循环，所以
(3.2)
Shaft rotation rate-轴转速 revolution-转 cycle-圈
因此，使用这种2极发电机产生60赫兹需要转子以3600转/分的固定速度转动。这种固定速度的机器被称为同步发电机，因为它与电网同步。大多数传统的电力是由同步发电机产生的（然而，风力涡轮机并非如此）。
我们可以想象发电机转子中的磁场是用永磁体产生的，如图3.10所示，这将极大地限制可能产生的功率。相反，磁场是通过刷子和滑环将直流电送入附在转子上的导体而产生的。如图3.12a所示，磁场绕组可以嵌入沿转子运行的槽中，也可以缠绕在所谓的凸极上，如图3.12b所示。凸极转子的制造成本较低，通常用于转速较慢的水力发电机。高速涡轮机和发电机使用圆转子，这样可以更好地处理离心力和产生的应力。图3.13a显示了一个完整的带圆转子的2极发电机，图3.13b显示了一个带凸极转子的4极发电机。注意，4极发电机在转子和定子中都有四个极。
增加更多的磁极可以使发电机旋转更慢，同时仍能产生输出功率所需的频率。例如，当四极电机的转子旋转一圈时，它在输出线上产生两个循环。这意味着它只需要以2极电机的一半速度旋转，即1800转/分，以产生60赫兹的交流电。一般来说，转子速度ns是极数p的函数，输出频率f由下式得出：
（3.3）
（3.4）
Shaft rotation rate-轴转速
图3.12（a）2极圆转子和（b）4极凸极转子上的磁场绕组
图3.13（a）2极电机在转子和定子上有一个N和一个S极。（b）4极电机在转子上有4个极，在定子上有4个极。
表3.2轴旋转（rpm）与所需输出频率和极数的函数关系
|
磁极对数 |
50赫兹 转速 |
60赫兹 转速 |
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2 |
3000 |
3600 |
|
4 |
1500 |
1800 |
|
6 |
1000 |
1200 |
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8 |
750 |
900 |
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10 |
600 |
720 |
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12 |
500 |
600 |
虽然美国使用60赫兹作为动力，欧洲和日本部分地区使用50赫兹。表3.2提供了同步发电机在50 Hz和60 Hz下输出功率所需的转子速度的方便汇总。
3.3.3三相同步发电机
到目前为止显示的机器都是单相发电机。在第二章中，我们看到了三相功率的价值，特别是当需要大量的功率时。为了提供三相电源，我们可以用一对南北极来保持简单的转子，但是我们需要像图3.14所示的那样给定子增加另一个绕组。现在，在轴的每一次旋转过程中，转子扫过三个定子绕组中的每一个，从而在每个定子中产生与相邻绕组异相120_的电压。
图3.15显示了带凸极转子的4极三相发电机，这意味着与2极电机相比，它仅以转子速度的一半旋转。
图3.14（a）2极3相同步发电机。（b）三相定子输出电压。
图3.15带4极转子的4极、3相、Y形连接同步发电机。直流转子电流需要通过电刷和滑环输送到转子。
3.4热机的卡诺效率
美国90%以上的电力来自发电厂，这些发电厂将热量转化为机械工作。热量可能是核反应、化石燃料燃烧，甚至是集中在锅炉上的太阳光造成的。几乎所有这些90%都是基于热源沸水来产生蒸汽，使涡轮机和发电机旋转，但是有一个快速增长的部分是由燃气轮机产生的。 最好的新型化石燃料发电厂采用蒸汽轮机和燃气轮机的组合，以非常高的效率发电。
蒸汽机、燃气轮机和内燃机是将热量转化为有用功的机器的例子。我们感兴趣的是，他们如何有效地做到这一点？在以后的章节中，当我们描述燃料电池、光伏和风力涡轮机时，也会问到同样的问题，在每种情况下，我们都会遇到相当有趣的基本限制，即最大可能的能量转换效率。
3.4.1热机
很简单，热机从高温源（如锅炉）中提取热量qh，通常以旋转轴的形式将部分热量转换成功w，，并将剩余的热量qc排放到低温水槽（如大气或局部水体）中。图3.16提供了描述此类发动机的一般模型。
热机的热效率是由高温源提供的功与输入能量之比：
（3.5）
Thermal efficiency-热效率
因为能量是守恒的 ：
（3.6）
这导致了另一种效率表达：
(3.7)
3.4.2熵和卡诺热机
法国工程师萨迪·卡诺（Sadi Carnot）早在19世纪20年代就首次描述了一种最高效的热机，它可以在冷热储热器之间运行。
High-temperature source-高温热源 heat engine-热机 low-temperature sink-低温水槽
图3.16：热机将从高温储热器中提取的部分热量转换成工作状态，将其余热量排出到低温水槽中。
为了勾勒出他著名的方程的基础，该方程将热机的最大可能效率与冷热库的温度联系起来，我们需要引入熵的概念。
正如热力学中经常发生的那样，这个极其重要的量的定义并不是很直观。它可以被描述为分子紊乱或分子随机性的一种度量。在熵尺度的一端是一种绝对零度的纯晶体物质。由于每一个原子都被锁定在一个可预测的地方，所以它的熵被定义为零。一般来说，固相物质具有更多的有序分子，因此熵比液态或气态物质低。当我们燃烧一些煤时，气体最终产物中的熵比我们燃烧的固体块中的熵更多。也就是说，与能量不同，熵在一个过程中是不守恒的。事实上，对于每一个真实的过程，无序增加，宇宙的总熵增加。
不断增加的熵的概念非常重要。它告诉我们，在总能量不能改变的任何孤立系统（如宇宙）中，唯一能自发发生的过程是导致系统熵增加的过程。其中一个含义是热量自然地从温暖的物体流向寒冷的物体，而不是从另一个方向。它还指示某些化学反应的方向，如我们将在第4章中看到的那样，熵将用于确定燃料电池的最大可能效率。
当我们开始分析图3.16中的热机时，我们首先将能量流制成表格。热力学第一定律将能量以热传递的形式平等地对待，能量表现为发动机所做的功。对于熵分析，情况并非如此。工作被认为是一个理想化的过程，在这个过程中没有无序的增加，因此它没有伴随的熵转移。这是一个关键区别。过程包括传热和工作。热传递伴随着熵传递，而功是熵自由的。
显然，为了成为一个有用的分析工具，熵必须用方程和心理图像来描述。回到热机，如果在温度t下从“大”储热器中除去一定量的热量q（足够大，储热器的温度不会因热量损失而改变），则储热器的熵s损失定义为：
(3.8)
式中，t是使用开尔文或朗肯标度测量的绝对温度。从摄氏度到开尔文，从华氏度到朗肯的转换是 ：
(3.9)
(3.10)
方程（3.8）表明熵随着温度的升高而下降。我们知道高温比同等量的热量在较低的温度下更有用，这提醒我们熵不是一件好事。越少越好！
如果我们将（3.8）应用于热机，以及在热机运行期间熵必须增加的要求，我们可以很容易地确定这种热机的最大可能效率。由于没有与所做工作相关的熵变化，熵必须增加的要求（或最好是盈亏平衡）告诉我们，添加到低温水槽的熵必须超过从高温水库中移除的熵：
(3.11)
重新整理（3.11）
(3.12)
代入（3.7）对热机效率有以下限制：
(3.13)
也就是说，热机的最大可能效率由
(3.14)
这是卡诺所描述的经典结果。可以从（3.14）中直接观察到，随着热储液罐温度的升高或冷储液罐温度的降低，最大可能的热机效率会增加。事实上，由于无论是无限高温还是绝对零温度都不可能，我们必须得出这样的结论：没有真正的发动机能够以100%的效率将热能转化为机械能，因此，总会有废热被环境拒绝。
下面的例子说明了（3.8）和（3.14）如何用于热机的熵分析。lt;
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资料编号：[470]
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