电力的可持续发展

文/吴晖锽（马来西亚）

（作者单位：广西大学电气工程学院）

电力应用在各行各业：在交通行业，通过消耗电力转化成机械能可以把人或者是货物从一个地方运载到另一个地方；在农业行业，通过使用电力实现食物的生产和加工，例如将大米加工成食品；在工业、商业和家庭生活等方面，电力都有着广泛的应用，电力已然是满足我们日常生活需求的必需品。

电力系统的演变和作用

电力是怎样供给我们使用的呢？电力的输送离不开电力系统。众所周知爱迪生发明了电灯，其实他也发明了第一个电力系统。但是，这个电力系统是直流的，不能输送很远的距离，所以需要很多电站才可以提供足够的电能。此时另外一个发明家，特斯拉，提倡采用交流的电力输送方式。最初人们想到交流时，会觉得它很危险，认为如果不小心触碰到电线，可能会造成死亡。但是后来人们发觉到，交流比直流更加有意义，可以更广泛地应用于多种场景。就当时情况来看，爱迪生的直流供电方式输给了特斯拉的交流供电方式，因此电力系统也就慢慢转化为交流方式。

到了21世纪，直流供电方式再次得到发展，尤其是在中国。现在电力电子器件可以达到更高的效率，能够实现远距离直流输电。中国具有世界上最大的高压直流输电网，大概有21条输送线。那么，现在是直流供电方式领先吗？答案可能是肯定的。从爱迪生、特斯拉的时代到现在已经超过100年，电力系统供电方式从以前的交流慢慢转变为直流。

电力系统已经为人类提供电能长达120年。而今电力系统已成为生产生活的必需品，因此我们不得不考虑电力中断的问题及中断所造成的影响。电力中断会影响生产生活的方方面面：整个城市的电力中断会造成交通阻塞，商业活动停摆，金融市场瘫痪，通信受到干扰。电力中断事故一旦发生，将产生很严重的问题。

2003年8月14日，美国和加拿大发生了长达29小时、影响超过5000万人的电力中断事故。通过美国卫星图像可以看到美国东北部这一片区域特别暗，这是电流中断所造成的区域性停电。此次电力中断事故影响巨大，每日损失高达300亿美元。2012年印度也出现了电力大中断事故，影响人数高达3.7亿人，覆盖了印度9个区域。在印度，当电力供应正常时交通是很顺畅的，而此次电力中断导致交通指示灯失灵进而城市交通严重拥堵。

广西大学电气工程学院教授吴晖锽

我们除了要面对电力中断带来的挑战外，还要面对电力所产生的如气候变化、自然灾害频发、环境污染、雾霾、温室效应和北极南极冰山融化等环境问题的挑战。也就是说，电力系统跟环境是息息相关的。

传统电力系统

热力发电。对于热力发电站，不管采用的是何种燃料，最终都是产生热能将水转化为蒸汽。热蒸汽推动涡轮产生动能，进而驱动发电机产生电能。

热力发电的好处有很多：占地面积较少；能快速启动供电，也可以快速停止供电；建造过程相对较为简单，备用损耗较小；此外，它可以建设在距离“负荷”较近的地区，所谓的“负荷”是指城市、工厂、写字楼等需要用电的区域和建筑。当然它也存在一些弊端：例如它的运营和维修成本比较高；存在噪声问题；容量有限，不能够满足过多的负荷需求；会产生一些有害气体，故对环境有一定的损害。

水力发电。对于水力发电，我国最大的水力发电站是三峡水电站。建设水力发电站首先需要让河道改道，然后建设水坝，建设完成后再将河道转回来进行蓄水。当蓄水量足够时让水通过涡轮使其转动，涡轮与发电机相连接，进而推动发电机产生电能。水力发电可根据水头高度的不同来分类：高水头指300米以上，中等水头指30米到300米之间，低水头指30米以下。

水坝可以通过蓄水池把水挡住形成高水位，利用水的流速和压力使叶轮转动，进而推动发动机产生电能。水坝还有泄洪的作用，当水位特别高的时候放水可以避免水灾发生。水力发电过程离不开水坝、蓄水池、压力水管和发电机等设备，水坝使水维持在高水位，当水越深时形成的水压越大。类似地，潜水员潜水时最深只能到100尺，即30米左右，再深就不行，因为水压会慢慢增加到人类无法承受。所以在水力发电中水压最高点是在最底部，因此在此处装设压力管把具有很高水压的水输送到涡轮和发电机。水力发电站会设有一个电力室，用于放置发电机、变压器等水力发电系统必需设备。

水力发电好处是：水源容易获取；水力发电装置运行成本较低；水力发电不会造成空气污染也不会产生温室效应；水轮机能在很短的时间内启动和关闭；水力发电的概念简单，它相对其他发电技术来说是比较可靠的；现代水电设备寿命更长，可超过50年；此外，水力发电还具有防洪和水产养殖等辅助优势。

当然，水力发电也存在一些弊端：水坝的建设通常需要投入非常高的成本，但它的收益相对较低，这就需要很长的时间才可以把成本收回来，回报率较低；水坝的建设需要经过地质学家、科学家进行地质考研、调研；由于水力发电站距离负荷中心较远，所以它需要很长的输电线路才能将电能输送到各个负荷中心；此外，大型水坝其实会对环境有一定的影响，蓄水会淹没一些土地，例如建三峡水坝的时候就将100多万户家庭迁移到其他地方居住。

核电。产生核能的方式有两种，一种是把原子分裂成两个，另外一种是把两个原子结合在一起。现在唯一可以实现原子合成的只有太阳，目前采用的核能技术主要是使原子分裂。

当原子核一分为二时，这个过程叫作原子裂变，就会释放出相当多的能量。核能发电过程与热力发电极其相似，核电站以核反应堆及蒸汽发生器来代替热力发电的锅炉，以核裂变能代替矿物燃料的化学能。它的总体效率也与热力发电站相似，在30%—40%之间。核能发电利用铀燃料进行核分裂产生的热能，将水加热成高温高压的蒸汽，驱使涡轮还有发电机的转动。

可再生能源电力系统

当前我们最需要的是智慧电力系统，它需要符合三个条件：可负担的、可靠的和可持续的，因此科学家们想到了可再生能源。可再生能源有很多种，其中太阳是最大的能源，现在我们已经可以把太阳的能量转化成热能或电能。农作物的废料或者残渣也可以通过焚化炉产生蒸汽推动涡轮发动机，进而产生很大的能量。

太阳能发电。太阳能主要指两方面，一个是光，一个是热。即使太阳距离我们很远，到达大气层的太阳能产生的能量还是很高的。基于太阳能发电分为两种，一种是光能发电，另一种是光热发电。聚光太阳能热发电是将太阳的热集中后产生热能，使盐或者水变成蒸汽，驱动涡轮使发电机发电。气体冷却之后又可以变成盐重复使用，这就是为什么现在太阳能发电呈上升趋势。大型太阳能发电站分布于世界各地，中国、欧洲、美国等国家和地区都有。

对于光热发电系统，一面面定日镜把太阳光反射到位于太阳塔顶的吸热器表面，产生很高的热能。其温度高达几千摄氏度，可以把熔点超过1000摄氏度的铁板给锯成两片，不难看出光热产生的热能很高。当我们把太阳的热能集中到一个点时产生的能量很大，推动蒸汽轮机发电产生很高的电能。对于光伏发电系统，它由光伏板、控制器、储能元件、交流发电机、变压器等元器件组成，将太阳能发电产生的直流电转换成交流电以供负荷使用。

风力发电。风力发电是把风的动能转化成机械功率，经由发电机转化成电能。风力涡轮机（风机）是风力发电的主要器件，它有两种形式，一种是水平轴，另一种是垂直轴。风力发电需要控制风机的转动速度，并不是风速高、风机转动快就会产生更多电能，反而可能会损坏风机，因此适当情况下需要降低风速；然而当风速很低的时候风机也不会转动，所以这是一个需要精准调节的事情。在风力发电系统中安装有很多元器件来控制风速，当风速不足或风速过高时分别采取不同的措施控制风速。这些元器件包括风速计、制动器、变速箱和控制器等。

其他类型可再生能源发电。海浪（潮汐）发电也是一种可再生能源发电方式，海浪在涨潮和退潮的时候都可以产生电能。生物能发电是把木屑、米糠或者农作物的残渣燃烧后产生热能，让水变成蒸汽推动发电机发电。其发电原理与热力发电类似，只是产生热能的方式不同。生物能的原料可以来自农业、森林、工业。垃圾焚化炉可以燃烧收集到的垃圾产生热能，进而转化成电能。当然也有直接燃烧一些原料产生热能，如木屑，从而推动涡轮和发电机转动产生电能。此外，也可以从马路上收集能量，当车在马路上行驶的时候会产生一些震动，把这些震动的能量收集起来也可以产生电能。

2020年中国电力总装机容量为2200吉瓦（GW）。目前最主要的能源供应还是煤炭，煤炭占总能源的57%，而可再生能源占比相对较低。现在我们还是主要依赖石油、天然气、煤等能源来产生电能。虽然我们已经可以从可再生能源中获得电能，但比重较少。

中国正在大力推动风力发电和太阳能发电的发展并取得一定成效。2014年并网风电装机容量为9581万千瓦，到了2020年已经超过2.8亿千瓦。2014年太阳能发电装机容量为2652万千瓦，到了2020年已经超过2.5亿千瓦。中国力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，因此未来可再生能源发电占比将达到更高水平。