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電能是生產(chǎn)生活必不可少的能源,。最初人們以直流方式輸電，但是這種方式不能滿足當(dāng)時供電的需要,，為此科學(xué)家發(fā)明了交流發(fā)電,、輸電的方法。隨著時間的推移和電力系統(tǒng)的變化,，交流電自身的局限暴露出來,，人們又再一次把目光轉(zhuǎn)向直流電。 近日,，中科院發(fā)布了《科技發(fā)展新態(tài)勢與面向2020年的戰(zhàn)略選擇》研究報告,，報告中提出未來5至10年電網(wǎng)可能實現(xiàn)從交流向直流的重大變革。這種變革有著什么樣的時代背景?兩種模式究竟孰優(yōu)孰劣?記者就此采訪了專家,。 百年前愛迪生力挺直流電但交流電最終贏得市場 記者：李教授,，據(jù)說早在100多年前的19世紀(jì)末，科學(xué)界就曾上演過一場“交直流之爭”? 李國杰：是的,。1831年英國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,，并在電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上制出了第一臺發(fā)電機(jī)。英國科學(xué)家麥克斯韋則用數(shù)學(xué)方程將法拉第發(fā)現(xiàn)的電,、磁關(guān)系準(zhǔn)確表達(dá)出來,。在麥克斯韋的成果上,，德國科學(xué)家西門子發(fā)明了實用的交流發(fā)電機(jī)，而比利時工程師格拉姆發(fā)明了第一臺直流發(fā)電機(jī),。 不同的發(fā)電方式,，為后來電能輸送的“交直流之爭”埋下了伏筆。圍繞“究竟應(yīng)該使用交流輸電還是直流輸電”這個問題,，科學(xué)家們的態(tài)度劃分為截然不同的兩派：美國發(fā)明家愛迪生,、英國物理學(xué)家開爾文都極力主張采用直流輸電;而美國發(fā)明家威斯汀豪斯和英國物理學(xué)家費(fèi)朗蒂則主張采用交流輸電。 記者：為什么科學(xué)界會有這種旗幟鮮明的爭論? 李國杰：產(chǎn)生“交直流之爭”的最根本原因主要有兩方面,。 首先,，這是一場利益之爭。1882年愛迪生電氣照明公司在倫敦建立了第一座發(fā)電站,，安裝了3臺愛迪生研制的“巨漢”號直流發(fā)電機(jī),。而且，該公司還生產(chǎn)直流發(fā)電機(jī),、直流電動機(jī)等直流發(fā),、用電設(shè)備。非常明顯,，如果廣泛使用直流輸電方式,，那么愛迪生的公司將會獲得市場及巨大的財富利潤,。因此,，愛迪生反對交流輸電。 其次,，這還是一場學(xué)術(shù)之爭,。直流發(fā)電機(jī)、直流電動機(jī)構(gòu)造相對簡單,，直流電壓,、電流、功率等電量也容易理解,。而交流電是交變的電量,，交流電壓、電流的瞬時值不是恒定的,，由于愛迪生基本沒有接受過正規(guī)教育,、缺乏理論知識，難以解決交流電涉及到的數(shù)學(xué)運(yùn)算,，阻礙了他對交流電的理解,，所以他反對交流電。 記者：可是我們知道,，最后在這場爭論中,，依然是交流電勝出了,，這其中有哪些必然的原因? 李國杰：雖然大發(fā)明家愛迪生力挺直流電，但是在技術(shù)不成熟的時代,，直流電有著十分明顯的缺點,，這最終造成了它的失利。 電工學(xué)知識告訴我們,，輸電距離越遠(yuǎn)則損耗越大,、線路引起的電壓壓降也越大。1882年愛迪生在紐約珍珠街電站輸電線路全長只有1.5公里,，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際的電力輸送需要,。為了將電能送到更遠(yuǎn)的地方，就需要升高電壓,。由于當(dāng)時發(fā)電機(jī)輸出電壓較低,，直流輸電只有通過串聯(lián)發(fā)電機(jī)輸出電壓的方法將電壓升高，到了用電方也需要用串聯(lián)的方法使用,，這些都構(gòu)成了直流發(fā)電系統(tǒng)可靠性大大降低,。 而另一方面，1883年,，法國科學(xué)家戈拉爾和英國科學(xué)家吉布斯發(fā)明了實用價值的變壓器,。1885年，美國科學(xué)家威斯汀豪斯制成現(xiàn)代實用性能的變壓器,。變壓器將交流電進(jìn)行升壓,、降壓變換。交流變壓器的發(fā)明,，使得交流輸電電壓更高,、輸送距離更遠(yuǎn)，這使交流輸電徹底勝出,，交流電隨后在全世界范圍內(nèi)被迅速推廣,。 19世紀(jì)末，交流輸電地位的確立,，成為電力系統(tǒng)大發(fā)展的起點,。 百年間電力技術(shù)日新月異直流電優(yōu)勢越來越明顯 記者：在今天用電環(huán)境下，交直流都各自擁有什么樣的優(yōu)缺點呢? 李國杰：交流輸電優(yōu)點是無需整流,、逆變轉(zhuǎn)換,，工程簡單。但遠(yuǎn)距離交流輸電可能引起系統(tǒng)振蕩,，由于不能對交流系統(tǒng)故障進(jìn)行快速隔離,，交流電網(wǎng)局部故障可能引起大面積交流系統(tǒng)崩潰。另外,，交流輸電還存在以下不足：海底電纜采取交流輸電時由于電容效應(yīng)需要進(jìn)行無功補(bǔ)償;兩個不同頻率的交流電不能連接在一起;交流系統(tǒng)需要采取無功補(bǔ)償?shù)却胧┮蕴岣呦到y(tǒng)的穩(wěn)定性,。 而直流輸電優(yōu)點則是直流輸電只需2根電纜,，因此電纜成本省了1/3，對于500千伏輸電,，超過 300公里用直流輸電更加經(jīng)濟(jì),。而且直流輸電還能有效地對電網(wǎng)故障進(jìn)行隔離，防止故障擴(kuò)散;2個不同頻率的交流系統(tǒng)可以通過背靠背直流相連接;采用直流電纜無需進(jìn)行無功補(bǔ)償;同樣電壓等級,，直流輸電能輸送更大功率,，電纜損耗小。不過它的缺點是直流換流站(整流,、逆變)故障將影響系統(tǒng)的運(yùn)行,，換流站造價高、占地面積大,。 在我國電力系統(tǒng)處于交直流共同發(fā)展的階段,，“西電東送、交直流混合運(yùn)行”是目前我國電網(wǎng)的一大特點,。 記者：時至今日,，很多研究者認(rèn)為，不遠(yuǎn)的未來,，直流電會東山再起,，這是為什么呢? 李國杰：交流系統(tǒng)的日益發(fā)展與復(fù)雜化，使之不可避免地出現(xiàn)大面積停電的事故,。如2003年北美大停電,、2012年印度大停電等，對社會,、經(jīng)濟(jì)等影響非常之大,。而與之相對的,，大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展與成熟使得直流輸電受到青睞,，遠(yuǎn)距離大功率輸送促使直流輸電進(jìn)一步發(fā)展。而且直流輸電系統(tǒng)還提高了電力系統(tǒng)抗故障的能力,，可以避免出現(xiàn)電網(wǎng)崩潰的風(fēng)險,。 新能源崛起也為直流電復(fù)興提供了新的機(jī)遇。比如,，新的直流輸電技術(shù)——柔性直流輸電快速發(fā)展,，這種技術(shù)特別適合海上風(fēng)電的傳輸。另外,，太陽能光伏電池板輸出為直流電,，發(fā)電模式的轉(zhuǎn)變，使得直接進(jìn)行直流傳輸,、無需交直流變換成為可能,，因而提高了發(fā)輸電效率,。此外，節(jié)能意識的加強(qiáng),，直流供電家用電器的開發(fā)和發(fā)展等,，也使直流電再次回到與交流電競技的賽場上。 記者：這些原因都使我們看到,，直流電未來有“翻盤”的機(jī)會,。 李國杰：是的。隨著電力系統(tǒng)的迅速擴(kuò)大,，輸電功率和輸電距離的進(jìn)一步增加,，交流電遇到了一系列不可克服的技術(shù)上的障礙，大功率換流器(整流和逆流)的研制成功,，為高壓直流輸電突破了技術(shù)上的障礙,，因此直流輸電重新受到了人們的重視。1954年,，從瑞典本土到果特蘭島,，建立起了世界上第一條遠(yuǎn)距離高壓直流輸電工程。目前世界各國已有上百個現(xiàn)代工業(yè)化直流輸電工程建成投運(yùn),。 |
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