世界电力发展简史

希腊七贤中有一位名叫泰勒斯的哲学家。公元前600年前后,泰勒斯看到当明的希腊人通过摩擦琥珀吸引羽毛,用磁钱矿石吸引铁片的现象,曾对其原因进行过一番思考。据说他的解释是:“万物皆有灵。磁吸铁,故磁有灵。”这里所说的“磁”就是磁铁矿石。希腊人把琥珀叫做“elektron”(与英文“电”同音)。他们从波罗的海沿岸进口琥珀,用来制作手镯和首饰。当时的宝石商们也知道摩擦琥珀能吸引羽毛,不过他们认为那是神灵或者魔力的作用。在东方,中国人民早在公元前2500年前后就已经具有天然的磁石知识。据《吕氏春秋》一书记载,中国在公元前1000年前后就已经有了指南针,他们在古代就已经用磁针来辨别方向了。

通常所说的摩擦起电,在公元前人们只知道它是一种现象。很长时间里,关于这一种现象的认识并没有进展。而罗盘则在13世经就已经在航海中得到了应用。那时的罗盘是把加工成针形的磁铁矿石放在秸秆里,使之能浮在水面上。到了14世纪初,又制成了用绳子把磁针吊起来的航海罗盘。这种罗盘在1492年哥伦布发现美洲新大陆以及1519年麦哲伦发现环绕地球一周的航线时发挥了重要的作用。

英国人吉尔伯特是伊丽莎白女王的御医,他在当医生的同时,也对磁进行了研究。他总结了多年来关于磁的实验结果,于1600年出了一本取名为《论磁学》的书。书中指出地球本身就是一块大磁石,并且阐述了罗盘的磁倾角问题。吉尔伯特还研究了摩擦琥珀吸引羽毛的现象,指出这种现象不仅存在于琥珀上,而且存在于硫磺,毛皮,陶瓷,火漆,纸,丝绸,金属,橡胶等是摩擦起电物质系列。把这个系列中的两种物质相互摩擦,系列中排在前面的物质将带正电,排在后面的物质将带负电。那时候,主要的研究方法就是思考,而他主张真正的研究应该以实验为基础,他提出这种主张并付诸实践,在这点上,可以说吉尔伯特是近代科学研究方法的开创者。

在公元前的中国,打雷被认为是神的行为。说是有五位司雷电的神仙,其长者称为雷祖,雷祖之下是雷公和电母。打雷就是雷公在天上敲大鼓,闪电就是电母用两面镜子把光射向下界。到了亚里斯多德时代就已经比较科学了。认为雷的发生是由于大地上的水蒸气上升,形成雷雨云,雷雨云遇到冷空气凝缩而变成雷雨,同时伴随出现强光。认为雷是静电而产生的是英国人沃尔,那是1708年的事。1748年,富兰克林基于同样的认识设计了避雷针。能不能用什么办法把这种静电收集起来?这个问题很多科学家都考虑过。1746年,莱顿大学教授缪森布鲁克发明了一种存贮静电的瓶子,这就是后来很有名的“莱顿瓶”。缪森布鲁克本来想像往瓶子里装水那样把电装进瓶子里,他首先在瓶子里灌上水,然后用一根金属丝把摩擦玻璃棒扔到水里。就在他的手接触到瓶子和棒的一瞬间,他被重重地“电击”了一下。据说他曾这样说过:“就算是国王命令,我也不想再做这种可怕的实验了”。富兰克林联想到往莱顿瓶里蓄电的事,于1752年6月做了一个把风筝放到雷雨云里去的实验。其结果,发现了雷雨云有时带正电有时带负电的现象。这个风筝实验很有名,许多科学家都很感兴趣,也跟着做。1753年7月,俄罗斯科学家利赫曼在实验中不幸遭电击身亡。通过用各种金属进行实验,意大利帕维亚大学教授伏打证明了锌,铅,锡,铁,铜,银,金,石墨是个金属电压系列,当这个系列中的两种金属相互接触时,系列中排在前面的金属带正电,排在后面的金属带负电。他把铜和锌做为两个电极置于稀硫酸中,从而发明了伏打电池。电压的单位“伏特”就是以他的名字命名的。19世纪初,正是法国大革命后进入拿破仑时代。拿破仑从意大利归来,在1801年把伏打召到巴黎,让他做电实验,伏打也因此获得了拿破仑授予的金质奖章和莱吉诺-多诺尔勋章。

2.3伏打电池的利用与电磁学的发展伏打电池发明之后,各国利用这种电池进行了各种各样的实验和研究。德国进行了电解水的研究,英国化学家戴维把2000个伏打电池连在一起,进行了电弧放电实验。戴维的实验是在正负电极上安装木炭,通过调整电极间距离使之产生放电而发出强光,这就是电用于照明的开始。1820年,丹麦哥本哈根大学教授奥斯特在一篇论文中公布了他的一个发现:在与伏打电池连接了的导线旁边放一个磁针,磁针马上就发生偏转。俄罗斯的西林格读了这篇论文,他把线圈和磁针组合在一起,发明了电报机(1831年),这可说是电报的开始。其后,法国的安培发现了关于电流周围产生的磁场方向问题的安培定律(1820年),法拉第发现了划时代的电磁感应现象(1831年),电磁学得到了飞速发展。

可以说,1820年奥斯特所发现的电磁作用就是电动机的起源。而1831年法拉第所发现的电磁感应就是发电机的变压器的起源。

1832年,法国人毕克西发明了手摇式直流发电机,其原理是通过转动永磁体使磁通发生变化而在线圈中产生感应电动势,并把这种电动势以直流电压形式输出。

1869年,比利时的格拉姆制成了环形电枢,
更多精彩尽在这里,详情点击:http://sykygj.com/,英联杯莱顿东方发明了环形电枢发电机。这种发电机是用水力来转动发电机转子的,经过反复改进,于1847年得到了32KW的输出功率。

1882年,美国的戈登制造出了输出功率447KW,高3米,重22吨的两相式巨型发电机。

美国的特斯拉在爱迪生公司的时候就决心开发交流电机,但由于爱迪生坚持只搞直流方式,因此他就把两相交流发电机和电动机的专利权卖给了西屋公司。

1896年,特斯拉的两相交流发电机在尼亚拉发电厂开始劳动营运,3750KW,5000V的交流电一直送到40公里外的布法罗市。

1889年,西屋公司在俄勒冈州建设了发电厂,1892年成功地将15000伏电压送到了皮茨菲尔德。

1834年,俄罗斯的雅可比试制出了由电磁铁构成的直流电动机。1838年,这种电动机开动了一艘船,电动机电源用了320个电池。此外,美国的文波特和英国的戴比德逊也造出了直流电动机(1836年),用作印刷机的动力设备。由于这些电动机都以电池作为电源,所以未能广泛普及。

1887年,前面所讲过的特斯拉两相电动机作为实用化感应电动机的发展计划开始启动。 1897年,西屋公司制成了感应电动机,设立专业公司致力于电动机的普及。

发电端在向外输送交流电的时候,要先把交流电压升高,到了用电端,又得把送来的交流电压降低。因此,变压器是必不可少的。

1882年,英国的吉布斯获得了“照明与动力用配电方式”专利,其内容就是将变压器用于配电,当时所用的变压器是磁路开放式变压器。

西屋引进了吉布斯的变压器,经过研究,于1885年开发出了实用的变压器。此外,在此前一年的1884年,英国的霍普金森制成了闭合磁路式变压器。

电力工业就是将一次能源如煤炭、石油、天然气、核燃料、水能、风能、太阳能等经发电设施转换成电能,再通过输电、变电与配电系统供给用户作能源的工业部门。

1850年,马克思在看到一台电力机车模型后,就曾预言:“蒸汽大王在前一个世纪中翻转了整个世界,现在它的统治已到末日,另外一个更大得无比的革命力量──电力将取而代之。”100多年来的历史充分证实了马克思预言的正确。

1875年,巴黎北火车站建成世界上第一座火电厂,安装经过改装的格拉姆直流发电机,为附近照明供电 。

1882年,美国建成纽约珍珠街电厂,装有6台直流发电机,总容量900马力(约670千瓦),以110伏直流电供电灯照明。这是世界上第一座较正规的电厂。

在此前后,世界各国陆续建成几座容量为千千瓦级的电厂。其中,著名的有伦敦德特福德火电厂,如下图。

1882年,美国在威斯康星州的福克斯河上建成第二座水电站,水头3米,装机容量10.5千瓦。

进入90年代,水电站的规模发展到万千瓦级以至十万千瓦级。如美国尼亚加拉水电站(1895),设计容量14.7万千瓦,这是商业性水电站的发端。

20世纪巴西和巴拉圭合建的伊泰普水电站(如下图),中国的三峡电站没有建的时候这里是世界上最大的水电站,装机1260万千瓦,年发电量710千瓦时 。

20世纪初,为适应电力工业发展的需要,电工制造业生产出万千瓦级的机组,如瑞士勃朗-鲍威力有限公司生产的1.5万千瓦机组(1902),美国西屋电气公司的1万千瓦机组

到1912年,汽轮发电机组的容量达到 2.5万千瓦。进入20年代,美国已制成10万千瓦的机组。电力工业已从萌芽发展到初具规模。

1913年,全世界的年发电量已达500亿千瓦时。电力工业已作为一个独立的工业部门,进入人类的生产活动领域。

2013年中国的GDP增长率为7.7%,高于年初所制定的7.5的发展目标,在宏观经济企稳回升的背景下,全年发电量增长为7.3%,增速较2012年提高了1.9个百分点。按发电技术划分,化石燃料发电量占全球总发电量的比重为70%(如上图),与2012年的70.5%相比略有下降。水电和核电发电量占比分别为14.2%和10.9%。而新能源发电在2013年延续了高速增长的趋势,年发电量同比增速达到了3%,占全球发电量总额的5.2%,与整体发电量增速缓慢形成了鲜明对比。这主要是由以风电和光伏发电为主的新能源发电技术水平不断提高、发电成本不断下降、上下游产业更加成熟、应用方式更加灵活多样所导致的,预计未来这一趋纠等持续并加速。

在新能源发电领域,2013年光伏新增装机容量首次超过风电新增装机容量(如下图)。受美国生产税抵免政策(ProductionTax Credit, PTC)中断影响,2013年全球风电新增装机容量仅为35.1GW,而光伏新增装机容量则达到38.7GW,超过风电3.6GW。其中,光伏发电最大的增长动力来自中国和日本,除中国在2013年实现了12GW的光伏新增装机容量外,日本在“新能源改革计划”的推动下,光伏新增装机容量也达到了6.7GW。相比风电和光伏,其他新能源技术2013年的新增装机容量增长均较为有限:生物质及垃圾发电55Gw、地热发电1.1GW。

总之, 目前世界各国都在未来电力工业的发展,首先关心的是非再生一次能源和发电技术。欧盟出于环境保护的考虑,在哥本哈根气候峰会要求CO2排放量到2020年比1990年减少30%,所以很多国家倾向于天然气发电,但天然气成本较高,储量有限,不可能取代燃煤,大功率的燃气轮机(10-15万kW)作为大的电力系统中的高峰负荷机组最有竞争力,设有注水装置或干式低NO2燃烧器的机组可减步排放的污染。目前较多注意联合循环的燃气轮机,火力发电厂中烧煤和烧油仍占很大比例。烧煤电厂的技术改造受到各国重视,如松煤发电厂的烟气处理、循环流化床、加压流化床燃烧等。煤的气化可取代不足的天然气井满足环境要求,但投资费用很高。对核能发电有安全的顾虑,意大利就曾停止了部分核电厂的建设,前苏联切尔诺贝利核电厂发生事故后,也部分关闭和改造。随着安全保护措施的提高,核电仍有很多国家优先考虑,法国的发电量中有70%以上为核电,并正在发展一种法德方案的欧洲压水堆(EPR)。意大利将重新考虑发展核电,到2020年计划达到2500万kW,其次关心的是节能措施,热电联供可节省一次能源,减少环境污染。建议将热电联供纳入电力工业的规划,以免影响全系统出力的优化,电价政策可促使合理用电,改变系统负荷曲线,有效地利用装机容量,减少对电力工业的压力,达到节电目的。如意大利对可切断负荷实行优惠电价,从上世纪80年代就开始对工业和民用负荷实行每天和每年间的不同时间不同电价制,以调节负荷,同时在输配电系绕中实行功率的地区平衡,采用合理的无功功率补偿装置和低损耗的变压器, 均可降低线损。在再生能源方面,当前仍以水电为主。但一些发达国家的水力资源己濒临殆尽,水电在整个电力工业中的比重越来越小。太阳能、风能和潮汐能到2020年还只能占很小比例。电力系统间的跨地区和跨国互联将进一步得到重视和发展。

我国电力行业发展迅猛,电源结构不断调整,火电优化水平提高,水电开发力度加大,电网建设不断加强,电力环保成绩显著,电力装备技术不断提高,多项技术已经达到国际先进水平。进入21世纪,电力需求更加旺盛,发展潜力巨大,电力建设任务仍十分艰巨,电力系统的主要发展趋势是开发新能源,开发节能环保的新产品,降低设备的功耗,加快研究更高一级的电压输电技术,推广柔性输电技术,加快电网建设,优化资源配置,继续推广城乡电网建设与改造,形成可靠地配电网络。

我国电力发展的基本方针是:提高能源效率,保护生态环境,加强电网建设,大力开发水电,优化发展煤电,积极推进核电建设,适度发展天然气发电,鼓励新能源和可再生能源发电,带动装备工业发展,深化体制改革。在此方针的指导下,结合近期电力工业建设重点及目标,我国电力系统发展将呈现以下四个鲜明特点:

自动化水平逐步提高、安全性和可靠性得到充分重视。先进的继电保护装置、变电站综合自动化系统、电网调度自动化系统以及电网安全稳定控制自动化系统得到广泛应用。随着电网建设和网架结构的加强、电网自动化水平的提高,大陆电网安全稳定事故大幅下降。电网供电可靠性也有较大提高,平均供电可靠性为99.820%。

经济、高效和环保。随着大容量机组的应用、电网的发展以及先进技术的广泛采用,煤耗与网损逐年下降。新建火电厂将广泛采用大容量、高效节能机组,采用脱硫技术和控制NOX的排放。到2020年,在人口密集地区,将建设60GW的天然气发电机组和40GW的核电机组。在电网建设方面,将采用先进技术提高单位走廊输电能力、降低网损,加强环境和景观保护,城市电网将逐步提高电缆化率、推广变电站紧凑化设计。

结构调整力度就会继续加大。将重点推进电流域梯级综合开发,加快建设大型水电基地,因地制宜开发中小型水电站和发展抽水蓄能电站,使水电开发率有较大提高。合理布局发展煤电,加快技术升级,节约资源,保护环境,节约水电,提高煤电技术水平和经济性。实现百万千瓦级压水堆核电工程设计、设备制造本土化、批量化的目标,全面掌握新一代百万千瓦级压水堆核电工程设计和设备制造技术,积极推进高温气冷堆核电技术研究和应用。在电力负荷中心、环境要求严格、电价承受力强的地区,因地制宜技术适当规模的天然气电厂,提高天然气发电比重。在风力资源丰富地区,开发较大规模的风力发电厂;在大电网覆盖不到的边远地区,发展太阳能光伏发电;因地制宜发展地热发电、潮汐电站、生物质能(桔梗等)与沼气发电等;与垃圾处理相结合,在大中城市规划建设垃圾发电项目。

技术进步和产业升级步伐将会加快。电力工业要着眼于走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染小的新型工业化道路,促进电力设备的本土化。需要重点发展以下几个方面的工作:推广单机容量60万千瓦及以上大容量超临界机组。加大大型水电站建设关键技术的研究,加快大容量水电机组设备制造本土化。引进第三代核电技术。加快100万千瓦级大型核电站设备制造本土化进程。实现600千瓦至兆瓦级风电设备本土化。引进第三代核电技术。建设功能完善、信息畅通、相互协调的电力调度自动化系统,建立适应电力市场竞争需要的技术支持系统,电力行业的信息化达到国际先进水平。加快电网建设,优化资源配置。

加快推进西电东送三大通道的输电线路建设,合理规划布局,积极采用先进适用技术提高线路输送容量,节约输电通道资源。建设坚强、清晰、合理、可靠地区域电网。推进大区电网互联,适当控制交流同步电网规模。继续推进城乡电网建设与改造,形成安全可靠的配电网络。完善城乡配电网结构,增强供电能力。

加快计算机技术、自动化技术和信息技术的推广应用,提高城域自动化水平和供电可靠性,满足城乡居民用电的需求。完善县城电网的功能,增强小城镇电网的供电能力,扩大电网覆盖面。发展循环经济,创建节约型社会。

加强发电、输变电、用电等环节的科学管理,提高能源使用效率。在加快电力建设,保障电力供给的同时,将节约资源和提高能效提升到与电力供应同等重要的地位。通过通过深化电力需求管理,加强全国联网,调整产业结构,逐步降低单位产值能耗等节能、节电的综合措施。

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