书城童书物理知识知道点:走进电学世界
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第32章 认识电源

电源是能够提供电能的装置、设备,我们生活中的电源有很多种形式,大型的电源如核电站、水电站、风力发电站、地热发电站、火力发电站等;小型的电源如电池、蓄电池、太阳能发电等。这些不同形式电源相得益彰,成为人类美好生活不可或缺的一部分。现在,就让我们到电源的大世界中游历一翻吧。

1.核电站

核电站是利用一座或若干座核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。它通常以铀作为核燃料在“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,并可以通过电网送到四面八方。

电源世界核电站除了包括核反应堆外,还有许多其他重要设备。例如压水堆核电站还包括主泵、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。

目前,世界上大部分的核电站有压水堆、沸水堆、重水堆和改进型气冷堆以及快堆等。反应堆是核电站中的关键设备,链式裂变反应就在其中进行。

核裂变和核聚变都可以放出核能。核电站的核能主要来源于铀-235的核裂变。在自然状态下,铀-235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的控制。

自从20世纪50年代美国建立第一座核电站以来,目前核电事业已取得了长足的发展。到20世纪末期,世界上共有436座发电用核反应堆在运行,总装机容量为350676兆瓦,年发电量占全世界总发电量的17%。其中法国核电装机占总装机的78%,日本核电装机占总装机的36%。美国核电装机占总装机的20%,韩国核电装机占总装机的42%,而中国内地仅占1.6%,而正在建造的发电反应堆有30多座,总装机容量约为21642兆瓦。

浙江省海盐县的秦山核电站的顺利发电运行,使我国成为继美、英、法、前苏联、加拿大、瑞典之后世界上第7个能够自行设计、建造和运营管理的核电站国家,为我国核工业军转民用和平利用核能奠定了坚实的基础。秦山核电站第一期装机容量30万千瓦,工程总投资17.75亿元。秦山核电站运行18年来,创造了良好的经济效益和社会效益。截至2006年11月,机组累计发电285亿千瓦时,累计实现销售收入87亿元,上交各种税费超过17亿元。机组18年成功运行也大大减轻了工业发展对环境的污染,它相当于减排了近20万吨二氧化硫、3000多万吨二氧化碳。

秦山核电站大亚湾核电站位于深圳大鹏镇,占地2平方千米。目前70%的电量供应香港特区,30%供应广东。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,是我国改革开放以来建立的最大的中外合资企业之一,总投资40亿美元。核电站安装有两台单机容量为984MW压水堆反应堆机组。通过核能发电,使得广东和香港两地每年减少燃煤消耗370万吨,从而大大减少了导致“温室效应”和酸雨的气体年度排放量,相当于每年减少排放包括二氧化碳900万吨、二氧化硫17万吨、一氧化氮3万吨以及空气中的尘埃数千吨。

与其他形式发电厂相比,核电优点明显,但核电站对安全的要求特别高,因此安全始终是人们设计核电站的重中之重。为了防止放射性物质外逸,科学家们一般要进行如下设计:

(1)裂变产生的放射性物质90%滞留于燃料芯块中;(2)设计密封的燃料包壳;(3)设计坚固的压力容器和密闭的回路系统;(4)设计能承受内压的安全壳。

核电事业是一把双刃剑,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,位于前苏联乌克兰地区基辅以北130千米的切尔诺贝利核电站爆炸,这是人类和平利用核能史上最严重的一次核灾难。切尔诺贝利核电站爆炸释放了大约2.6亿居里的辐射量,大约是日本广岛原子弹爆炸能量的200多倍。这次事故造成的放射性污染遍及乌克兰、白俄罗斯、俄罗斯15万平方千米的地区,在此后长达半个世纪的时间里,切尔诺贝利核电站10千米范围以内将不能耕作、放牧;10年内100千米范围内被禁止生产牛奶。切尔诺贝利的核辐射通过风力、雨水等传播途径,污染了一些堪称世界上最富饶的土壤,造成的影响需要800年才能消除。

如今在切尔诺贝利这块乌克兰曾经最富饶的土地上,树木依旧生长,河流静静流淌,但物是人非,昔日以健壮闻名的白俄罗斯民族如今却遭受种种疾病的困扰,乌北粮仓也已成为历史。切尔诺贝利核电事故惨重教训历历在目,值得我们子孙万代去深思。

2.水电站

水能是一种清洁可再生的能源。人类早就认识到了水能的作用,利用水能来服务生产和生活,最典型的就是建设水电站。水电站是将水能转换为电能的综合工程设施,一般包括由挡水、泄水建筑物形成的水库和水电站引水系统、发电厂房、机电设备等。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。1878年法国建成世界第一座水电站。世界第一座潮汐电站于1913年建于德国北海之滨。中国最早建成的水电站是1912年建于云南省昆明市郊的石龙坝水电站。

伊泰普水电站由巴西与巴拉圭两国政府共同开发,大坝全长7744米,高196米,历时16年,耗资170多亿美元,电站安装了18台发电机组,总装机容量1260万千瓦,年发电量可达750亿度。

我国水力资源非常丰富。孙中山先生早就认识到利用水能,他认为长江“当以三峡工程建设水闸堰其水,使舟得溯流以行,而又可资其水利”;毛泽东1953年视察三峡时作诗句“更立西江石壁,截断巫山云雨,高峡出平湖”,提出建设三峡工程的设想。三峡水电站作为世界上规模最大的水电站,它坝长2335米,底部宽115米,顶部宽40米,高程185米,正常蓄水位175米。大坝坝体可抵御万年一遇的特大洪水,最大下泄流量可达每秒钟10万立方米。整个工程的土石方挖填量约1.34亿立方米,混凝土浇筑量约2800万立方米,耗用钢材59.3万吨。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。

三峡水电站的建成极大地改善了我国电力供应紧张的局面,它的电力供应遍及大半个中国。

中国著名的水电站还包括葛洲坝、小浪底等。

3.风力发电站

风力发电也是清洁可再生的能源。新疆维吾尔自治区达坂城风力发电站,坐落在达坂城山口茫茫戈壁滩上,东西长约80千米,南北宽约20千米,是南北疆气流活动的主要通道,目前已建设安装200多台风力发电机,是亚洲规模最大的风力发电站。

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风来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。风力发电机因风量不稳定,所以它输出的是变化的交流电(13~25V),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。然后用有保护电路的逆变电源,把电瓶里的化学能转变成常用的交流电(220V),才能保证稳定使用。

4.地热发电站

地球上除了蕴藏着丰富的水力、风力资源之外,还有丰富的地热资源,人类利用这些资源开发了地热发电站。

西藏自治区羊八井是我国最大的地热电站,也是世界上惟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,是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,也是一个游人游览的好地方。电势差电势差,是指电场中两点之间电势的差值,也叫电压,用字母U表示。在国际单位制中,电势差的单位是伏特,简称为伏,符号是V。1库电荷从电场中的一点移动到另一点,如果电场力做了1焦耳的功,这两点间的电势差就是1伏。