電力的可持續發展

文/吳暉锽（馬來西亞）

（作者單位：廣西大學電氣工程學院）

電力應用在各行各業：在交通行業，通過消耗電力轉化成機械能可以把人或者是貨物從一個地方運載到另一個地方；在農業行業，通過使用電力實現食物的生產和加工，例如將大米加工成食品；在工業、商業和家庭生活等方面，電力都有著廣泛的應用，電力已然是滿足我們日常生活需求的必需品。

電力系統的演變和作用

電力是怎樣供給我們使用的呢？電力的輸送離不開電力系統。眾所周知愛迪生發明了電燈，其實他也發明了第一個電力系統。但是，這個電力系統是直流的，不能輸送很遠的距離，所以需要很多電站才可以提供足夠的電能。此時另外一個發明家，特斯拉，提倡采用交流的電力輸送方式。最初人們想到交流時，會覺得它很危險，認為如果不小心觸碰到電線，可能會造成死亡。但是后來人們發覺到，交流比直流更加有意義，可以更廣泛地應用于多種場景。就當時情況來看，愛迪生的直流供電方式輸給了特斯拉的交流供電方式，因此電力系統也就慢慢轉化為交流方式。

到了21世紀，直流供電方式再次得到發展，尤其是在中國?，F在電力電子器件可以達到更高的效率，能夠實現遠距離直流輸電。中國具有世界上最大的高壓直流輸電網，大概有21條輸送線。那么，現在是直流供電方式領先嗎？答案可能是肯定的。從愛迪生、特斯拉的時代到現在已經超過100年，電力系統供電方式從以前的交流慢慢轉變為直流。

電力系統已經為人類提供電能長達120年。而今電力系統已成為生產生活的必需品，因此我們不得不考慮電力中斷的問題及中斷所造成的影響。電力中斷會影響生產生活的方方面面：整個城市的電力中斷會造成交通阻塞，商業活動停擺，金融市場癱瘓，通信受到干擾。電力中斷事故一旦發生，將產生很嚴重的問題。

2003年8月14日，美國和加拿大發生了長達29小時、影響超過5000萬人的電力中斷事故。通過美國衛星圖像可以看到美國東北部這一片區域特別暗，這是電流中斷所造成的區域性停電。此次電力中斷事故影響巨大，每日損失高達300億美元。2012年印度也出現了電力大中斷事故，影響人數高達3.7億人，覆蓋了印度9個區域。在印度，當電力供應正常時交通是很順暢的，而此次電力中斷導致交通指示燈失靈進而城市交通嚴重擁堵。

廣西大學電氣工程學院教授吳暉锽

我們除了要面對電力中斷帶來的挑戰外，還要面對電力所產生的如氣候變化、自然災害頻發、環境污染、霧霾、溫室效應和北極南極冰山融化等環境問題的挑戰。也就是說，電力系統跟環境是息息相關的。

傳統電力系統

熱力發電。對于熱力發電站，不管采用的是何種燃料，最終都是產生熱能將水轉化為蒸汽。熱蒸汽推動渦輪產生動能，進而驅動發電機產生電能。

熱力發電的好處有很多：占地面積較少；能快速啟動供電，也可以快速停止供電；建造過程相對較為簡單，備用損耗較小；此外，它可以建設在距離“負荷”較近的地區，所謂的“負荷”是指城市、工廠、寫字樓等需要用電的區域和建筑。當然它也存在一些弊端：例如它的運營和維修成本比較高；存在噪聲問題；容量有限，不能夠滿足過多的負荷需求；會產生一些有害氣體，故對環境有一定的損害。

水力發電。對于水力發電，我國最大的水力發電站是三峽水電站。建設水力發電站首先需要讓河道改道，然后建設水壩，建設完成后再將河道轉回來進行蓄水。當蓄水量足夠時讓水通過渦輪使其轉動，渦輪與發電機相連接，進而推動發電機產生電能。水力發電可根據水頭高度的不同來分類：高水頭指300米以上，中等水頭指30米到300米之間，低水頭指30米以下。

水壩可以通過蓄水池把水擋住形成高水位，利用水的流速和壓力使葉輪轉動，進而推動發動機產生電能。水壩還有泄洪的作用，當水位特別高的時候放水可以避免水災發生。水力發電過程離不開水壩、蓄水池、壓力水管和發電機等設備，水壩使水維持在高水位，當水越深時形成的水壓越大。類似地，潛水員潛水時最深只能到100尺，即30米左右，再深就不行，因為水壓會慢慢增加到人類無法承受。所以在水力發電中水壓最高點是在最底部，因此在此處裝設壓力管把具有很高水壓的水輸送到渦輪和發電機。水力發電站會設有一個電力室，用于放置發電機、變壓器等水力發電系統必需設備。

水力發電好處是：水源容易獲取；水力發電裝置運行成本較低；水力發電不會造成空氣污染也不會產生溫室效應；水輪機能在很短的時間內啟動和關閉；水力發電的概念簡單，它相對其他發電技術來說是比較可靠的；現代水電設備壽命更長，可超過50年；此外，水力發電還具有防洪和水產養殖等輔助優勢。

當然，水力發電也存在一些弊端：水壩的建設通常需要投入非常高的成本，但它的收益相對較低，這就需要很長的時間才可以把成本收回來，回報率較低；水壩的建設需要經過地質學家、科學家進行地質考研、調研；由于水力發電站距離負荷中心較遠，所以它需要很長的輸電線路才能將電能輸送到各個負荷中心；此外，大型水壩其實會對環境有一定的影響，蓄水會淹沒一些土地，例如建三峽水壩的時候就將100多萬戶家庭遷移到其他地方居住。

核電。產生核能的方式有兩種，一種是把原子分裂成兩個，另外一種是把兩個原子結合在一起。現在唯一可以實現原子合成的只有太陽，目前采用的核能技術主要是使原子分裂。

當原子核一分為二時，這個過程叫作原子裂變，就會釋放出相當多的能量。核能發電過程與熱力發電極其相似，核電站以核反應堆及蒸汽發生器來代替熱力發電的鍋爐，以核裂變能代替礦物燃料的化學能。它的總體效率也與熱力發電站相似，在30%—40%之間。核能發電利用鈾燃料進行核分裂產生的熱能，將水加熱成高溫高壓的蒸汽，驅使渦輪還有發電機的轉動。

可再生能源電力系統

當前我們最需要的是智慧電力系統，它需要符合三個條件：可負擔的、可靠的和可持續的，因此科學家們想到了可再生能源。可再生能源有很多種，其中太陽是最大的能源，現在我們已經可以把太陽的能量轉化成熱能或電能。農作物的廢料或者殘渣也可以通過焚化爐產生蒸汽推動渦輪發動機，進而產生很大的能量。

太陽能發電。太陽能主要指兩方面，一個是光，一個是熱。即使太陽距離我們很遠，到達大氣層的太陽能產生的能量還是很高的?；谔柲馨l電分為兩種，一種是光能發電，另一種是光熱發電。聚光太陽能熱發電是將太陽的熱集中后產生熱能，使鹽或者水變成蒸汽，驅動渦輪使發電機發電。氣體冷卻之后又可以變成鹽重復使用，這就是為什么現在太陽能發電呈上升趨勢。大型太陽能發電站分布于世界各地，中國、歐洲、美國等國家和地區都有。

對于光熱發電系統，一面面定日鏡把太陽光反射到位于太陽塔頂的吸熱器表面，產生很高的熱能。其溫度高達幾千攝氏度，可以把熔點超過1000攝氏度的鐵板給鋸成兩片，不難看出光熱產生的熱能很高。當我們把太陽的熱能集中到一個點時產生的能量很大，推動蒸汽輪機發電產生很高的電能。對于光伏發電系統，它由光伏板、控制器、儲能元件、交流發電機、變壓器等元器件組成，將太陽能發電產生的直流電轉換成交流電以供負荷使用。

風力發電。風力發電是把風的動能轉化成機械功率，經由發電機轉化成電能。風力渦輪機（風機）是風力發電的主要器件，它有兩種形式，一種是水平軸，另一種是垂直軸。風力發電需要控制風機的轉動速度，并不是風速高、風機轉動快就會產生更多電能，反而可能會損壞風機，因此適當情況下需要降低風速；然而當風速很低的時候風機也不會轉動，所以這是一個需要精準調節的事情。在風力發電系統中安裝有很多元器件來控制風速，當風速不足或風速過高時分別采取不同的措施控制風速。這些元器件包括風速計、制動器、變速箱和控制器等。

其他類型可再生能源發電。海浪（潮汐）發電也是一種可再生能源發電方式，海浪在漲潮和退潮的時候都可以產生電能。生物能發電是把木屑、米糠或者農作物的殘渣燃燒后產生熱能，讓水變成蒸汽推動發電機發電。其發電原理與熱力發電類似，只是產生熱能的方式不同。生物能的原料可以來自農業、森林、工業。垃圾焚化爐可以燃燒收集到的垃圾產生熱能，進而轉化成電能。當然也有直接燃燒一些原料產生熱能，如木屑，從而推動渦輪和發電機轉動產生電能。此外，也可以從馬路上收集能量，當車在馬路上行駛的時候會產生一些震動，把這些震動的能量收集起來也可以產生電能。

2020年中國電力總裝機容量為2200吉瓦（GW）。目前最主要的能源供應還是煤炭，煤炭占總能源的57%，而可再生能源占比相對較低?，F在我們還是主要依賴石油、天然氣、煤等能源來產生電能。雖然我們已經可以從可再生能源中獲得電能，但比重較少。

中國正在大力推動風力發電和太陽能發電的發展并取得一定成效。2014年并網風電裝機容量為9581萬千瓦，到了2020年已經超過2.8億千瓦。2014年太陽能發電裝機容量為2652萬千瓦，到了2020年已經超過2.5億千瓦。中國力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和，因此未來可再生能源發電占比將達到更高水平。