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直流 vs 交流 | 爱迪生与特斯拉的赌局

电力电子网 2018-08-17 10:19:48

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大家都知道,爱迪生发明电灯

而特斯拉是个出名的电动车牌子


 但其实

这两位都是属于电力界具有开创性的大神

 如果说爱迪生是百分之九十九的汗水造就的天才

那么特斯拉应该算是一个具有超级天赋的天才

只不过特斯拉比较低调,不太会social



这两位大神之间

还有一个非常有名的赌局

“电流之争” -- 直流电(DC) VS 交流电(AC)


所谓交流电

是指电流电压的大小方向按一定的频率交替变换

中国市电是单相220V/50Hz

而直流电的电流电压方向一致

电流从正极流向负极

▼ 赌 局 的 过 去 式


爱迪生先发明了直流电

而特斯拉觉得交流电更好

爱迪生为了证明直流电更好

不惜用交流电来电死大象

想以安全问题来黑交流电

不过历史上

这个赌局还是以交流电的广泛普及,让特斯拉完胜




原因嘛

可以归结于交流电

在发电,输电和用电三个方面的优势


发电


传统的发电装置(例如,汽轮机组,水轮机组等),都采用同步电机,产生交流电更加方便高效。



输配电


电的传输是要经过先升后降的变压,只有这样才能减少传输线的损耗。法拉第感应定律说

只有变化的电磁场之间才能相互转换。所以,交流电非常符合高效输配电这一需求。




另外,零点切断性能是交流电的杀手锏。在电流为零的时候瞬间切断,可以将灭弧风险降到最小。如果灭弧失当,就可能出现下面的光影效果:

↓↓↓



用电

传统的用电设备(电机,压缩机,风扇)都是靠交流驱动,包括白炽灯用的也是人眼觉察不到的50/60Hz.的交流电


▼ 赌 局 的 现 在 进 行 时

特斯拉用交流电的三把利剑赢得了胜利

但是,随着科技的发展

天平的两端正在发生微妙的变化


发电


新能源太阳能和风能的出现,都对交流电的地位产生了新的质疑,太阳能产生的是直流电风能发电机由于速度的不确定性让并网造成了困难,转成直流是其中一个有效的解决方式。另外,工程师们发现对传统的发电机进行变频处理整流成直流后使用,可以让很多发电机的效率提高5%~15%。



输配电


解决直流灭弧的安全问题一直都是百年来推广直流的首要难题,随着机械动力学与电力电子设备的发展,在2012年,ABB公司终于在直流断路器及灭弧方面有了革命性的突破!据说当时ABB官方主页是这么炫耀的:

↓↓↓





变电方面

由于替代晶闸管的IGBT, SiC(碳化硅)

等电力电子器件的出现

直流变电变得更加经济,迷你和高效

那么直流之间的变换

是怎么“突破”法拉第感应定律的呢?

可以用斩波控制(PWM)的理论来解释


斩波控制类似于黄瓜切片

把黄瓜切成细片

然后按照需要

以不同的高度整合起来

可以达到不同高度的黄瓜



拿最简单的直流变换器来说,先将电压进行快速切片,切片的同时切割磁力线,将能量储存在变压器或者电感中,然后以同样的速度,把切片后的电压滤波整合,就成了新的直流电压。直流变电设备切的频率越高,设备的体积也就越小,新的SiC和GaN的器件可以将电压以1MHz以上的频率然后整合,Google 的目标是将变电设备做成5kW/L体积大概是传统变压器的十分之一或者更小。


下图是北卡州立大学FREEDM实验室,研发的Solid State Transformer (SST),用来构成直流配电系统,可以将变压器的体积减小5倍。



用电

用电设备的结构在慢慢的发生变化,很多主流的发电机的应用,例如空调/冰箱的压缩机都需要变成直流变频后使用才能更加高效,更加不用说消费型电子(如LED电视机,电脑,手机),用的都是3.3V~48V的直流,以至于,谷歌(Google)和脸书(Facebook)开始在他们的数据中心推广了直流系统。

储能


除了上述三个方面之外,直流电还有一个独一无二的法宝--储能。传统意义上,电网中的电是不能存储的,发多少就用多少。但是,直流可以储存在某些化学介质中。传统铅酸电池是不能满足电网级别的储能需求的。新型的电池技术,例如高密度的锂电池让大规模电的存储变成了可能。大量的电,特别是太阳能中的电被存储在了电池中,以供需要时使用跟储能相关的移动电子设备、电动汽车都开始占据或者进入人们的主流生活这一切都在展示着直流电的优势。




▼ 赌 局 的 未 来 时

目前,在ABB,谷歌及各类新能源的研究机构的推动下,直流在输电和配电各种领域,都已经得到飞速的发展。中国对高压直流(HVDC)的应用,也一直走在世界前列。不过,由于交流基础设施发展了一百多年,根基实在太大,直流电想要一下子咸鱼翻身很难!不过,在下一个一百年,爱迪生和特斯拉关于交直流的赌局,谁输谁胜很难预料,让我们拭目以待!



来源:电力实事

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