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原文,译者,SmallPlane,大三女一枚,医学英语专业,现居北京,宅到烦的时候就出去活动活动,兴趣广泛而无所专。

内容简介:
当初为了输电及用电需要,交流电和变压器被我们坚定不移奉为理想选择,然而,世事变幻,在科技高度发展的今天,直流电又有了重返舞台的可能性,激增的用电需要使得科学家得以重新审视它的价值,并踌躇满志地筹划着建立遍及整个大陆和海洋的超级电网......

托马斯•爱迪生或许能欣然接受这一讽刺。就在他最负盛名的遗产白炽灯面临灭绝之时,他另外一项倾注巨大热情的发明,直流电,正开始兴盛起来。统领照明业逾一个世纪之久的电灯泡在这个气候变化的时代已经被社会所遗弃,并在许多国家被禁止使用。与此同时,在19世纪90年代的电力市场角逐中败给交流电的直流电,却能够帮我们遏制全球变暖的现象。

随着电力需求的激增,公用事业公司都争相安装可再生能源发电机,很明显,现存的电力传输系统已跟不上需求了。欧洲和美国的工程师们都意识到他们需要改进输电网,并宣称会对此做出巨大的投资。然而仅仅是增加旧系统的功率或许并非最好的解决办法。革新旧技术才能使输电方式有所改观。

尽管在早期的电力使用中,直流电被交流电所取代,然而高压直流电(HVDC)一直都没有失去其用武之地--它能长距离传输大量电能,因其比常规的交流线路效率更高。现今它正成为越来越多的可再生能源发电机中的一个重要环节,尤其是海面上的风力发电场。这使得能源工业里的许多人得以重新审视直流电。

一些科学家更加野心勃勃,他们的计算表明,通过建立遍及整个欧洲的高压直流电超高压电网,可帮助解决由许多分布极广的可再生能源发电器生产能源水平不等的难题,从而提供完全可靠的电力供应。支持者表示这将意味着煤炭,天然气以及核能最终会遭到抛弃,由可再生能源在几年内将它们取代。

这个超高压电网的一些构成部分不久就可以在欧洲投入建设了,一笔12亿欧元(折合15亿美元)的预计补助金将被用于将整个地区的电网联系到一起。与此同时,在美国,奥巴马总统投资1500亿美元的能源计划中就包括一项在2050年之前实现可再生能源占25%的目标,这就暗示了对于高压线路的巨大投资,其中很多有可能就是高压直流电的。同时,有关新型超导高压直流电电缆的实验表明,采纳此项技术的输电网可以扮演一个庞大的能源仓库,缓冲用户以及设备所面临的难以预测的天气变化(见“过冷电网”)。“不管从哪一方面看,毫无疑问,高压直流电的时代已经到来了。”总部设在英国的电网咨询公司TNEI的技术指导Graeme Bathurst说道。

爱迪生输掉了同Nikola Tesla以及Westinghouse Electric的“电流大战”,因为在那个时代交流电是一项更实际的主张。简而言之,有效的长距输送要通过较高的电压来实现,而公众所需要的是更安全的低电压。变压器应交流电电网,而非直流电而生。

除了这项胜利,直流电也更加高效:电压相同的情况下,它比交流电的传输损耗要小,这是因为在直流电线路中电流的方向是不变的,而在交流电路中电流方向每秒钟改变100或120次。这就引起了传输线绝缘材料中的微小电流,能量便以热能的形式耗散。由于这个优势,高压直流电长久以来都在长距离有效传输大量能源中享有一席之地。最早的大工程之一就是于1965年在新西兰建立连接南北岛屿的600百力瓦特的线路,后又提高到了1200百力瓦特。

在过去的10年中,新的高压直流电工程在距离和功率上都提高很快,尤其是在中国,线路被建来把水力发电的能源从内地传输给沿海用户。总部设于瑞士的工程公司ABB受委任将要建立一条从向家坝到上海的长达2000千米的线路,这条线路能承载6.4千兆瓦的电能——相当于三座大型发电站的输出量。

2011年当这条线路投入运行时,将带来巨大的环境效益。ABB公司高压直流电研发经理Gunnar Asplund说,要用三排交流电线杆并行才能传送的大量能源,只需一排高压直流电线杆便可传输。如果不长距离传输水力电能,就需要在上海附近建更多的燃煤火力发电站,Asplund估计,这样一来每年将会有额外的4千万公吨二氧化碳排入大气中。

高压直流电的另外一个主要优势就是它在地下或水下能比交流电更长距离地传输电能,这是由于当被埋在地下或淹没在水中时,交流电会产生强大的交流电场,这会导致额外的大量能源损失。对于直流电,这种电容作用是可以忽略不计的。这样,对于像去年开通的长600公里,连接挪威和尼德兰的Norned电缆海底内部连接来说,高压直流电就成为必需,它同样也适用于远离海岸的风力发电场。

 

远大目标

那些长距线缆跟Desertec的计划比起来简直不值一提。Desertec是由罗马俱乐部建立的一个组织,这是一个总部设在瑞士的可持续发展智囊团,并且是约旦首都安曼的国际能源研究中心。自从2003年以来,Desertec就在论证靠主要在北非和中东收集太阳能而进行的远端电力生产。收集太阳能代价相对较高,但有一个巨大的优点:一些在白天收集的热量可以储存在熔融盐类中以便在夜间用于发电。Desertec说单只这一项技术就可以在2050年时为欧洲提供17%的能源,可以通过20到40根长距离高压直流电线路将电传输过来。然而这个想法的一些其他支持者认为高压直流电甚至可以输送的不止如此--那将是一种完全可再生的电力资源供应。

高压直流电供应的基础建设可能是最费力的计划了:也即目前在欧洲和北美都赢得支持的超高压电网观念。这项观念本身并不新颖——它在19世纪60年代就由身兼建筑家和设计师的Buckminster Fuller首次提出--但直到现在它才具有现实的可能性,这得归功于高压直流电技术的发展。
可再生电力的问题就是,在你建设可再生能源发电器的那个地方,不一定总是有风或者阳光。然而总有某个地方是在刮着风的,就如总有一半的地球是阳光普照的。因此如果有一个足够大的输电网,生产波动就能稳定下来,提供可靠的电力供给。

这其中巨大的潜力已被能源系统顾问Gregor Czisch展示了出来,他是首个定量研究怎样为欧洲及其邻国建立一个经济上可行,完全可再生电力供应的人(见地图)。为了做这些,Czisch应用了一项被称作线性优化的技术,这项技术最初是为了解决工商业里的计算难题而开发的。

Czisch花了很长时间收集一些必要信息,包括整个地区详细的气象及电力消耗数据,和主要的可再生技术投资花费。

然后,Czisch把这些数据代入程序以设计出可完全靠可再生资源满足需求的最便宜的电力供应系统。他让其决定出生产形式和地点,设计出高压直流电线的路线和功率。结果是惊人的,不仅超过十亿人的全年电力供应可以完全由可再生能源供给,花费也不算太大。

这些数字看起来很吓人:这项工程的花费将超过1.5万亿欧元,其中1280亿是用于建造超高压输电网自身的线路和设备的,大约1.4万亿是花在可再生发电能力上的。考虑了这些以后,国际能源总署预计,到2030年止全球能源工业将在依靠化石燃料的能源生产中投资13.6万亿欧元。根据Czisch的计划,在清洁技术上的投资将和在不洁技术上消耗的持平,因此花销并不会增加。

超高压电网的优势之一就是发电器可以设置在风和阳光最适合发电的地方,这将同时带来经济效率和电力效率。更重要的是,超高压电网本身仅占总投入的一小部分,所以输电网额外的花费对总体电价并无影响。Czisch估计该系统能以低于每千瓦时4.7欧分的价格送电——大约是德国在2005年时的电批发价。

在Czisch的主要研究中,大部分能源都来自陆上的风力,最便宜的可再生资源生产形式,有来自摩洛哥和埃及的强劲夏季风,配合以北海周围的冬季强风,其余的大部分都将来自目前已有的北日耳曼国家及阿尔卑斯山脉的水力发电,并只在其它资源不能满足需求时才被采用。在二选一的方案中,Czisch发现欧洲的需求可以完全依靠可再生能源满足,而不需从非洲进口,只不过花销会稍微多一些。

超高压输电网的建立将需要数万千米新的高压直流电线,这将在欧洲引起漫长的规划分歧。另一方面,Czisch指出这将只是现存基础上增加的一小部分:例如,德国只需在现存超过100,000千米的电网上增加8000千米新的高压直流电线。“增加不到10%的线路,我们就能拥有一个完全可再生的电力供应。这不是什么难题,而是求之不得的美事。”

然而,公众的反对可能会抬高花销,直到去年开发者同意把电缆埋到地下以后,一条跨越比利牛斯山脉、连接法国和西班牙的高压直流线路才得以通过,预计的价格现在已经翻了四翻,达到约5亿欧元。

或许欧洲的高压直流电超高压电网前景艰难,但潜在的线路已在开发中了。瑞典,德国以及丹麦正在考虑在波罗的海上一个叫Kriegers Flak的地方建一个三路内部连接,在那里,三个国家计划建立海上风力发电场。由于风力发电场会离的很近,而且每一个都要分别跟自己的国家相连,因此,用短的高压直流电线把它们连接起来就成为一种便宜的跨边境电力贸易手段。同时,欧洲委员会已委任了协调者鼓励北欧各国在海上风力发电中进行合作,并着手绘制北海的风向图以协助高压直流电的线路设计。

海底电网

英国主流可再生能源公司计划在北海建立一个叫做"超节点"的项目,它由两个海上风力发电场组成——一个属于英国,一个属于德国--并跟一个有望于2015年之前完成,位于挪威的候补水力发电所连接。这将作为一个示范工程并扩展连接到位于波罗的海,爱尔兰海,比斯凯海湾以及地中海海域的同类计划上,形成一个环绕欧洲一周的海洋超高压电网。

主流公司的共同创立人Eddie O'Connor相信,陆上安装新线路的困难加上海上风力可产生的大量电力能源将共同导致大部分的超高压电网在海上建设。“我们基本上是可以在海上建立超高压电网的,”他说,“而且鱼也不会反对。”他认为他的计划将在30年内替代欧洲能源生产中的煤炭和天然气。

不管是海上还是陆上,超高压电网都要依靠高压直流电线,但是在高压直流电线能多快地传输输电网的全部效益上还存在着意见分歧。几乎所有现存的高压直流电线路都是"点对点"的,它由一根两端各带一个交流变流站的电线或电缆构成。但是超高压电网需要一个更复杂的“多点”连接设置,每条线上都带有好几个变流站,每一个都能输入和输出能量。一个复杂的控制系统也是少不了的。Czisch坚持认为他的工程用现已建立的技术便可以实现,他引用了一项由欧盟于2000年发布的研究,研究结果显示,一项计划把俄国,立陶宛,波兰和德国连接起来的多点网路是“技术上可行的”。有了这一基础,并有好几个已退休高压直流电专家的支持,Czisch声称剩下的障碍都不成问题。

其他人要更加慎重一些。“技术上的可行和设备上的商业可行性是不同的,”Bathurst说,“距研发成熟还要好几年的时间。”

Asplund说为了取得超高压电网的全面效益,就需要一个“网状”网络以使一条线路出现故障时能自动转变能源方向而通过其它线路到达目的地。这就需要进一步的技术发展,例如更好的直流电断路器,但他预期这些突破能很快到来。

然而时间紧迫,总部设在德国的电子电器工程公司西门子传输部的Peter Menke提醒到。需要花数年的时间来确保新线路的获准,他说:“在欧洲,增加输电网功率是如此重要,我们必须现在就开始着手建立高压直流电中枢。”

有了这么多在高压直流电方面的努力,剩余的技术难题很快就会有所突破的,Bathurst相信。“现在真正的问题不是我们能不能做--我们能够--但我们是否愿意做呢?”

拿英国的国家电网来说,我们有理由认为超高压电网很快就能为我们所用:始于1925年,英国电网的建设只花了10年时间,削减了1/4的电力花销。如果政策方面可以打通的话,看来,不久之后,死去的爱迪生就能就能卷土重来了。

过冷电网

在理论上,超导电缆较之传统的铜导体在传输电流时有更大的优越性。一旦被冷却到很低的温度,超导电缆实际上就没有电阻了,这能更少地消耗沿它们传输的能源并承载更高的功率密度。经过10年的发展之后,这种电缆最终可以和初步的输电网连接起来了:在韩国,中国以及纽约附近,已有几个短的区段在运行当中。尽管直到如今,所有的电缆都是都是为运送交流电而设计的。

然而,日本春日井中部大学的工程师,在用一根长20米的高压直流电线缆做实验,他们相信它将最终带来电力分布的大革命。这支由工程师Satarou Yamaguchi带领的团队提出了一种新的电缆设计,它可以被更有效地冷却,并能在每千米上储存高达4兆焦耳的磁能。Yamaguchi建议,用数千千米这样的电缆作为高压直流电线,它将像一块巨大的电池那样运作,以使从太阳能或风能转化而来的电顺畅地输出。超导高压直流电线缆被提议用于连接美国东西海岸的电网,还可以把从加拿大亚伯达焦油油田生产的电力输送到加利福尼亚。

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25 Responses to “[小红猪]绿色电网”

  1. 胡天翼说道:

    沙发!

  2. 胡天翼说道:

    当年爱迪生为了让自己的直流电打败交流电,就发明了很多残酷的电椅,公开把一头大象电死以证明交流电危险。这是他一生的污点。

    • 爱民生说道:

      在使用交流电的历史中,电死的人不会少于千万,爱迪生的“污点”对于人类来说是个亮点。

  3. 观星说道:

    大电网将会被作为一个巨大的电容器来使用嘛?不知道我国有没有同类计划。

  4. 青竹林说道:

    直流电有电磁辐射吗?
    没有的话还有其他安全影响吗?

    • williamjen说道:

      直流电周围只有一个恒定的磁场,而不会像交流电周围产生交变的 电磁场,因此应该没有电磁辐射吧?

      • lucienleigh说道:

        电磁感应,只要有电就有磁,有辐射。

        • 烟火小佳说道:

          我记得是不断变化的电场才会产生磁场,同样不断变换的磁场才会产生电场。 恒定的是不会产生辐射的吧,譬如随便的一个磁铁附近的磁场恒定,就不会产生电场,也不会有辐射。

          • lucienleigh说道:

            首先,我说结论,肯定有辐射。

            然后,你所说的是是奥斯特的电流磁效应,但是并不需要变化的电流,稳恒电流一样可以有磁效应。长导线的磁场是围绕导线的同心圆,这个应该是初中物理就已经完全教过的。再往后就应该是右手法则了,同时还有磁场方向和电流方向。

            后半句你所说的是法拉第电磁感应中产生感应电动势,不是电场。另外,洛伦兹力也可以产生同样的效果。当然,你只用一个磁铁乱动是肯定不可能有感应电动势的,因为旁边没有一个闭合的线圈。

            然后,我们再来说说辐射。定义是高于绝对零度的物体都再以电磁波的方式放出能量,这种方式叫辐射。也就是说,电磁波放出是有辐射的。

            最后,根据麦克斯韦方程和坡印廷矢量,可以得出在直流电中,能量是通过场传输,而不是通过电流(导线也是有电阻的) 具体说太复杂。但结论依然是有辐射

            不过辐射和辐射污染不是一回事,所以无需太担心。可以根据具体的数据计算,很简单。

    • coolfar说道:

      有关电磁场的影响,不要太过夸大。最近出现了大量的抵制输电线路、变电站建设的活动,提出的一个重要理由就是电磁辐射,说它是诱发白血病、癌症等疾病的重要因素,加上一些非本领域的“专家”的推波助澜,情况愈演愈烈。世界卫生组织已经出过针对输电线路周围居民健康状况的报告,输电线路周围的这种“电磁辐射”对居民健康没有明确影响,或者说,与各种疾病没有相关性。电磁辐射,不同于核辐射这种“电离辐射”,都叫辐射,不是一码事。

  5. mirror说道:

    作为报道,这样写文章不错。作为科普,就需要剖析这种变化的技术背景。因为什么样的技术的发达,导致了传统的交流输电方式显得不经济了呢?这才是本质。

    • starsdown说道:

      因为直流输电能节约输电走廊,6根交流线用两根直流线就可以代替,土地是很值钱的。同时最关键的是直流输电能避免过大电网中产生的低频振荡等现象。很多大电网的连接都是背靠背连接的,就是把交流换成直流再马上换成交流,如西北电网和华中电网之间的连接。但是换流站的核心阀厅的核心技术基本被国外大公司所掌控,不过我国在别的方面做得不错,特高压真正运行的就我国,俄罗斯和日本的都是降压运行的

  6. Boger说道:

    关于电力的文章,建议单位最好不要使用“百力瓦特”(百万瓦特?)。科学文献的单位是千瓦、兆瓦(百万瓦特)和吉瓦。中国工程中更多使用的是“万千瓦”(10兆瓦)这个单位。

    • SmallPlane说道:

      恩,谢谢Boger给出的建议,是我对这方面不太了解了。
      学到很多,下次一定注意O(∩_∩)O~

  7. freet15说道:

    好期待

  8. 星期二说道:

    不知道译者是不是台湾人,“公吨”都出来了。
    而且百力瓦特是什么东东?

    • SmallPlane说道:

      百力瓦特的已经听Boger解释过了

      因为不是这个专业的缘故,犯了这样的错误。
      给大家阅读造成的不便抱歉了~囧

  9. minibosses说道:

    ....这个"超高"...是不是我们国家最近几年做实验的"特高"?

  10. 不抛弃,不放弃说道:

    我们国家还远得很哦。

    • coolfar说道:

      不算很远。这里面提到的直流输电其实可以分为两种,一种是现在我国正在使用的晶闸管换流高压直流输电,其经济距离在600kM--800kM(各文献说法不一,也就是说大于这个距离,比较能体现高压直流输电的优势);另一种就是要在风力、太阳能中采用的轻型直流输电,是采用全控换流器件的直流输电,它的适用范围更广,电压等级较低、容量相对较小,我国明年即将投运的西藏直流输电工程,便是这一类。也就是说,我国各类直流输电都在使用中。
      关于技术方面,晶闸管换流的高压直流输电工程,我国已完全具备独立设计、制造的能力(虽然技术是引进的ABB和西门子两家,但已经具备独立制造的能力),轻型直流输电的情况,相对来说要惨点,不过,相信不久,其核心设备,全控大功率换流器件,我国也能独立生产,这方面的研究,许多院校和研究所都在进行中。
      再有一个,我国的电力技术是强还是弱的问题。怎么说呢,我们现在所用的绝大多数电力理论、分析方法、模型,都是有国外学者提出的,最尖端技术也是掌握在ABB等厂家手中(现阶段ABB全面出售晶闸管换流技术,是因为它们已经决定主攻轻型直流输电,也就是说,现阶段我们在大力发展的超高压直流输电,乃至特高压直流输电,在他们的眼中已是落后技术了),但是,我国所使用的电网,却是世界领先的。你比如说美国电网,美国电力工程人员直承他们的电网是60年代的电网(当然,它支撑了21世纪的美国),而我国的电网水平,以及控制、调度方式,都是非常先进的,美加停电的问题,就不太可能在我们的电网中出现。原因很简单,电网的建设是一种基础建设,在建设完毕后,对其进行大幅度的更新换代,难度太大,而我国对电力需求的快速成长阶段,就是最近一二十年,因此很多国际先进技术都能得到应用,而美国呢?他们的电力需求快速成长器是在60年代左右,而后,他们的电力需求增长是缓慢的,他们是60年代的电网也就不足为奇了。

  11. 尼古拉·特斯拉说道:

    我悲剧了

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