电是怎么产生的？工业旅游帮你释疑

　　能源危机，限制碳排放，煤炭去产能，缺油、缺气、缺电，电价上涨，拉闸限电......这一轮电荒突如其来，却又由来已久。碳中和和碳排放的压力，使得全球对煤炭资源的开采进行大规模的限制，在新能源发电不够成熟的今天，全球订单飞向中国，导致用电大增，而面对碳排放的压力，限电成为必然，电价上扬也无可厚非。那么电到底是怎么来的呢？这就是蓝裕文化工业旅游规划设计院今天要为大家普及的内容。
　　一、发电原理
　　世界上第一个揭示了电的本质的人是本杰明 富兰克林。今天大家谈到富兰克林在科学上的贡献时，都会想到他冒着生命危险使用风筝，在雷雨天进行雷电实验的故事，因为这个实验证实了天上的雷电和我们生活中已知的静电本质上是一回事。
　　当然，富兰克林被认为是近代第一个对电学做出巨大贡献的人，并非只是靠一个实验，而是一系列在电学理论上的贡献，包括这样一些成就：
　　确定了电的单向流动（而不是先前认为的双向流动）特性，并且提出了电流的概念；合理地解释了摩擦生电的现象；提出电量守恒定律；定义了我们今天所说的正电和负电。
　　那么，知道电本质的我们，是怎么发电的呢？
　　要发电，就需要磁铁以及产生电的线圈。磁铁具有吸引铁等金属的磁力，这个力所及的范围，就称为磁场。在这个磁场中移动线圈，线圈就会产生电。但是，在强大的磁场中，如果不能够移动线圈(如果不使磁力产生变化)，就无法产生电。换言之，磁力的变化会使得线圈产生电。这个原理称为电磁感应，而产生的电流，就称为感应电流。
　　磁铁接近线圈时，电流会依箭头的方向流向线圈。相反，如果磁铁远离线圈，则电流会流向相反的箭头方向。当然，如果不移动磁铁的话，则磁场不会产生变化，就不会产生电。
　　这个电磁感应，也可以用在自行车简单的发电机上。如果在自行车的轮胎上安装发电机，则借助轮胎的旋转，发电机内的磁铁就会旋转。这时，线圈附近的磁场的强度产生变化，就能够产生感应电流流到线圈。这就是电产生的原理，借此能够使自行车的灯亮起来。
　　二、电的来源
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　　火电
　　火力发电(thermal power，thermoelectricity power generation)，利用煤、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能，通过发电动力装置转换成电能的一种发电方式。
　　能量转换
　　燃料化学能 蒸汽热能 机械能 电能，简单的说就是利用燃料发热，加热水，形成高温高压过热蒸汽，推动气轮机旋转，带动发电机转子(电磁场)旋转，定子线圈切割磁力线，发出电能，再利用升压变压器，升到系统电压，与系统并网，向外输送电能，然后蒸汽沿管道进入汽轮机中不断膨胀做功，冲击汽轮机转子高速旋转，汽轮机带动发电机发电，最后又被给水泵进一步升压送回锅炉中重复参加上述循环过程，发电机发出的电经变压器升压后输入电网。
　　原理
　　火力发电一般是指利用石油、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的总称。以煤、石油或天然气作为燃料的发电厂统称为火电厂。
　　流程
　　火力发电的流程依所用原动机而异。在汽轮机发电方式中，其基本流程是先将燃料送进锅炉，同时送入空气，锅炉注入经过化学处理的给水，利用燃料燃烧放出的热能使水变成高温、高压蒸汽，驱动汽轮机旋转作功而带动发电机发电。热电联产方式则是在利用原动机的排汽(或专门的抽汽)向工业生产或居民生活供热。在燃气轮机发电方式中，基本流程是用压气机将压缩过的空气压入燃烧室，与喷入的燃料混合雾化后进行燃烧，形成高温燃气进入燃气轮机膨胀作功，推动轮机的叶片旋转并带动发电机发电。在柴油机发电中，基本流程是用喷油泵和喷油器将燃油高压喷入汽缸，形成雾状，与空气混合燃烧，推动柴油机旋转并带动发电机发电。
　　火力发电
　　根据火力发电的生产流程，其基本组成包括燃烧系统、汽水系统(燃气轮机发电和柴油机发电无此系统，但这二者在火力发电中所占比重都不大)、电气系统、控制系统。
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　　水电
　　水力发电(Hydroelectric power)系利用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，将其中所含势能转换成水轮机之动能，再借水轮机为原动力，推动发电机产生电能。利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另一种机械(发电机)随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。水力发电在某种意义上讲是水的位能转变成机械能，再转变成电能的过程。
　　原理
　　水力发电的基本原理是利用水位落差，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。根据水位落差的天然条件，有效的利用流力工程及机械物理等，精心搭配以达到最高的发电量，供人们使用廉价又无污染的电力。
　　流程
　　惯常水力发电的流程为：河川的水经由拦水设施攫取后，经过压力隧道、压力钢管等水路设施送至电厂，当机组须运转发电时，打开主阀(类似家中水龙头之功能)，后开启导翼(实际控制输出力量的小水门)使水冲击水轮机，水轮机转动后带动发电机旋转，发电机加入励磁后，发电机建立电压，并于断路器投入后开始将电力送至电力系统。如果要调整发电机组的出力，可以调整导翼的开度增减水量来达成，发电后的水经由尾水路回到河道，供给下游的用水使用。
　　系统
　　水电站是将水能转变为电能的水力装置，它由各种水工建筑物，以及发电、变电、配电等机械、电气设备，组成为一个有机的综合体，互相配合，协同工作，这种水力装置，就是水电站枢纽或者水力枢纽，简称水电站。它由挡水建筑物、泄水建筑物、进水建筑物、引水建筑物、平水建筑物及水电站厂房等水工建筑物共7个部分组成，机电设备则安装在各种建筑物上，主要是在厂房内及其附近。
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　　风电
　　风力发电是把风的动能转为电能。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，其蕴量巨大，全球的风能约为2.74 10^9MW，其中可利用的风能为2 10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
　　资源
　　我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW(陆地上离地10m高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。而2003年底全国电力装机约5.67亿kW。
　　风是没有公害的能源之一，而且它取之不尽，用之不竭。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。
　　原理
　　把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电能，这就是风力发电。风力发电的原理，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。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度(微风的程度)，便可以开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。
　　系统
　　风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。(大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型(包括家用型)才会拥有尾舵)
　　在风电的领域，经常遇到的一个的难题是：薄弱的电网短路容量、电网电压的波动和风力发电机的频繁掉线。随着变频技术的发展，通过整个系统内部的通讯单元把要控制的要求传递给风电场的每一台风力发电机中的控制单元，调节和控制变频装置的频率、相位角和幅值使之达到调节电网的功率因数，为弱电网提供无功能量的要求。因此，变频技术在风电系统中也是占有很重要的地位。
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　　太阳能
　　太阳能(solar energy)，是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。
　　发电原理
　　光生伏特效应：假设光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被接纳，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激起，致使发作电子-空穴对。界面层临近的电子和空穴在复合之前，将经由空间电荷的电场结果被相互分别。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。经由界面层的电荷分别，将在P区和N区之间发作一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5 0.6V。经由光照在界面层发作的电子-空穴对越多，电流越大。界面层接纳的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中组成的电流也越大。
　　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。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
　　系统
　　太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。其主要包括：太阳能电池组件(阵列)、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。
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　　核电
　　核电是指将核能转换为热能，用以产生供汽轮机用的蒸汽,汽轮机再带动发电机，从而发电。
　　核电站与火电站发电过程相同，均是热能—机械能—电能的能量转换过程，不同之处主要是热源部分。火电站是通过化石燃料在锅炉设备中燃烧产生热量，而核电站则是通过核燃料链式裂变反应产生热量。
　　系统
　　核电站的组成通常有两部分：核系统及核设备，又称为核岛;常规系统及常规设备，又称为常规岛。这两部分就组成了核能发电系统。
　　核岛中主要的设备为核反应堆及由载热剂(冷却剂)提供热量的蒸汽发生器，它替代常规火电站中蒸汽锅炉的作用。常规岛的主要设备为气轮机和发电机及其相应附属设备，常规岛的组成与常规火电站气轮机大致相同。
　　核电站除了关键设备——核反应堆外，还有许多与之配合的重要设备。以压水堆核电站为例，它们是主泵，稳压器，蒸汽发生器，安全壳，汽轮发电机和危急冷却系统等。它们在核电站中有各自的特殊功能。
　　三、全球十大电厂
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　　全球十大火电厂
　　在世界发电构成中，火电历来占有较大的比例。20世纪90年代以来一直保持在60%以上。世界上装机容量最大的燃煤火电厂是中国台湾省台中电厂，最大的联合循环电厂是日本东北电力公司的东新泻电厂，最大的燃气电厂是俄罗斯的苏尔古特电厂，最大的燃油电厂是日本的鹿岛电厂。
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　　全球十大核电厂
　　世界核电发电量约占总发电量的11%。至2013年底，全世界共有30个国家和地区拥有核电，共有435台机组，总装机容量约为3.75亿千瓦。核电发电量占总发电量50%以上的国家有法国、比利时和斯洛伐克三国，核电发电比例在30%和50%之间的国家有乌克兰、匈牙利、斯洛文尼亚、瑞士、瑞典、韩国、亚美尼亚、捷克、保加利亚、芬兰共10国，核电发电比例在10%和30%之间的有西班牙、美国、罗马尼亚、中国台湾、日本、德国、英国、俄罗斯、加拿大共9个国家或地区。
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　　全球十大水电厂
　　水能资源开发利用程度均已达到较高水平。意大利、法国、挪威、日本、瑞典的技术可开发资源利用率已经超过50%，加拿大、奥地利为40%-50%，墨西哥、西班牙为20-40%。中国技术可开发资源利用率已达到23.4%，未来仍有较大发展空间。世界上运行的最大水电站当然是中国三峡水电站，从1994年正式动工兴建，2003年开始蓄水发电，于2009年全部完工。
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　　全球十大抽水蓄能电厂
　　世界上抽水蓄能电站装机容量已超过1.04亿kW。美国抽水蓄能装机容量为2150万kW，约占世界总量的20.7%;日本为2550万kW，约占世界总量的24.5%;欧盟为3830万kW，约占世界总量的36.8%。1985年美国建成的巴斯康蒂抽水蓄能电站，装机容量300.3万kW，是世界上在运的最大抽水蓄能电站。
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　　全球十大海上风电场
　　2013年底，全球风电装机容量已经达到3.18亿千瓦，其中海上风电704.6万千瓦。海上风电主要集中在欧盟国家，其中英国遥遥领先，2013年底英国海上风电装机368万千瓦，占到半壁江山。全球十大海上风电场中，英国就占到6个。
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　　全球十大光伏发电站
　　2013年，全球光伏发电装机容量约1.4亿千瓦，尽管欧盟光伏发电装机容量很大，但主要为屋顶分布式项目，因此大型地面光伏电站主要集中在美国、中国、印度等国家。
　　四、电的工业旅游
　　水电站、煤炭电站、垃圾焚烧发电站、光伏太阳能发电站和风电企业都在逐步发展工业旅游，随着电资源缺乏的到来，如何节约用电，蓝裕文化认为这可能是工业旅游项目中非常重要的一部分。除了展示发电的资源、工艺，电的工业旅游应当以电的应用和科普为核心，让人们更深入的了解电的来龙去脉，从而为更好的利用电打下坚实的基础。
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