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【IBE】直流VS交流—持续了100多年的战争









相信爱迪生发明电灯的故事已经家喻户晓,然而特斯拉则是作为一个电动车的品牌而开始为大众所知。 殊不知,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。在今天,说好听点的是极客,说不好听点的是技术宅男,且终身没有结婚!另外,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。


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。包括白炽灯也用的是人眼觉察不到的50/60Hz.的交流电。


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,ABB公司终于在2012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让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,最新的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,以供需要的时候用。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。






(来源:工程客)

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