如何降低電力傳輸成??本

有利于太陽能發(fā)電場(chǎng)和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的區(qū)域通常距離大城市 500 至 2000 公里，如下面的太陽能圖和風(fēng)圖所示。此外，太陽能和風(fēng)能是“間歇性的”，這意味著它們會(huì)隨時(shí)間變化，并且以無法控制的方式發(fā)生變化。出于這兩個(gè)原因，我們希望能夠以低成本傳輸大量電力、長距離傳輸。

圖1：光伏發(fā)電潛力的長期平均值

圖2：風(fēng)平均速度

超級(jí)網(wǎng)格

理論上，一個(gè)新的輸電網(wǎng)絡(luò)可以將許多遙遠(yuǎn)的太陽能發(fā)電場(chǎng)、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、水電大壩、核電站和人口稠密地區(qū)連接在一起。如果一個(gè)地區(qū)沒有風(fēng)或晴天，那么另一個(gè)產(chǎn)能過剩的地區(qū)可能會(huì)提供幫助。這通常被稱為“超級(jí)網(wǎng)格”，并且已經(jīng)編寫了多個(gè)提案。例如，美國的一項(xiàng)提案將風(fēng)能從該國的中心向外轉(zhuǎn)移，如下圖所示。歐洲的一項(xiàng)提案從北非轉(zhuǎn)移太陽能，從大西洋轉(zhuǎn)移風(fēng)力，如下左圖所示。

圖 3：網(wǎng)格

中國目前在長距離輸送大量電力方面處于領(lǐng)先地位，并且安裝的超高壓電力線數(shù)量超過任何其他國家（例如 8 GWe、±800 kVDC 或 1000 kVAC）。

超級(jí)電網(wǎng)挑戰(zhàn)

超級(jí)網(wǎng)格涉及多重挑戰(zhàn)：

大陸大小的天氣模式偶爾會(huì)導(dǎo)致許多太陽能發(fā)電場(chǎng)和許多風(fēng)電場(chǎng)的電力減少。一種補(bǔ)救措施是在太陽能和風(fēng)能充足的情況下填補(bǔ)閑置的發(fā)電量；然而，維護(hù)它是昂貴的。另一個(gè)補(bǔ)救措施是嚴(yán)重依賴聚光太陽能加熔鹽儲(chǔ)存加碳基燃料，它可以提供 24 x 365 的電力；然而，這也很昂貴。

我們?nèi)匀恍枰G色源加傳輸，成本低于接近消費(fèi)者的碳選項(xiàng)；否則，社區(qū)將繼續(xù)燃燒附近的廉價(jià)煤炭和天然氣。

上述挑戰(zhàn)令人生畏；然而，隨著成本的顯著降低，工程師們或許能夠讓超級(jí)電網(wǎng)發(fā)揮作用。

100 年來，輸電一直承受著降低成本的壓力。因此，脫碳工程師能否進(jìn)一步降低電力行業(yè)已經(jīng)在做的事情之外的傳輸成本似乎值得懷疑；除非關(guān)鍵部件因產(chǎn)量小而未批量生產(chǎn)，或因太復(fù)雜而未開發(fā)專用設(shè)備。

高壓交流與直流

電力可以以高壓交流或直流形式傳輸；每一種都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。AC 更輕松地支持沿線多個(gè)低成本分接頭；而 DC 在源和消費(fèi)者、地下電纜和長距離（即不受線路電容的影響）的不同正弦波情況下效果更好。有人可能會(huì)提倡在兩端使用轉(zhuǎn)換電子設(shè)備運(yùn)行 2000 公里的直流線路；然而，在許多情況下，電力公司更喜歡交流輸電，沿途有多個(gè)來源和消費(fèi)者，他們通過相對(duì)低成本的變壓器接入。如果想讓直流超越交流，就需要降低轉(zhuǎn)換電子的成本，開發(fā)低成本的抽頭，如下圖所示。

圖 4：成本

移動(dòng)異常大量的電力

左下角的兩張照片顯示了 8 根電纜束，比右下角所示的典型 3 根電纜束大得多。為了傳輸大功率，人們可能會(huì)在兩個(gè)大束之間放置約 160 萬伏特的電壓，而每束內(nèi)電纜之間的電壓為約 0 伏特。下圖所示的工人在無動(dòng)力施工期間沒有受到傷害。

圖 5：工人

支撐重捆的塔需要堅(jiān)固，支撐非常高電壓的塔需要高；因此，傳輸大量能量的塔很可能很高、很結(jié)實(shí)、又大又重。

例如，如果將 8 根 5 厘米（2 英寸）直徑的 1500 安培鋁電纜放在一束中，兩束之間的電壓為 1，600kVDC （±800kVDC），則可以在 2000 公里的距離內(nèi)移動(dòng) 19.2 GWe，例如功率損耗為 5.2%。如果塔每 0.8 公里間隔，它們每個(gè)將通過電纜支撐 70 公噸的重量，電纜原料鋁的總成本將是 4.6 億美元，例如 2.62 美元/公斤。如果每座塔重 200 公噸，鋼材成本為 500 美元/噸，那么每座塔將需要 10 萬美元的原鋼。如果非鋼塔成本為每塔 40 萬美元，而每條線路需要 2，500 個(gè)塔，那么每條線路的塔總成本為 1.25B 美元。如果其他成本為每條線路 $2.5B，那么每條傳輸線的總成本將為 $4.2B，計(jì)算為 $0.21/Watt，這是合理的（$4.2B / 19 GWe）。

全球超級(jí)網(wǎng)格

我們現(xiàn)在將運(yùn)行一些數(shù)字來了解全球超級(jí)電網(wǎng)的成本。正如解決氣候變化問題需要知道的 10 件事中所述，世界每年消耗大約 56，000 TWh 的能源，如果使用 40% 的時(shí)間，這相當(dāng)于 16，000 GWe，平均而言 （（56，000 * 1e12 / （ 24 小時(shí) * 365 天）） / （1e9 * 40%））。如果在 19 GWe 的大型傳輸線中移動(dòng)這種能量，則需要 830 條線路，例如 （16，000 GWe / 19 GWe）。如果在全球范圍內(nèi)建設(shè)超過 20 年，每年將建設(shè) 41 條新線路（832 條線路/20 年）；例如，美國為 7 年（28 億美元/年），中國為 10 年（42 億美元/年），歐洲為 6 年（24 億美元/年）。

下面顯示的是全球超級(jí)電網(wǎng)的計(jì)算，該電網(wǎng)通過 19 GWe 2000 公里的大型輸電線路轉(zhuǎn)移當(dāng)今的能源消耗。要更清楚地看到這一點(diǎn)，請(qǐng)單擊圖片。如果您想插入自己的數(shù)字，請(qǐng)下載我們的電子表格并在工作表“計(jì)劃”中查看“全球超級(jí)網(wǎng)格”。

如果人們對(duì)遙遠(yuǎn)的電力和大電網(wǎng)不滿意，那么可以考慮成本降低的核電 ≤ 200km 距離消費(fèi)者，如美國政府如何以 100B 美元解決氣候變化問題中所述。

圖 6：成本

開發(fā)自動(dòng)化塔組裝系統(tǒng)

為了降低傳輸成本，工程師可以探索在計(jì)算機(jī)控制下通過專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)大型塔架的運(yùn)輸和建造自動(dòng)化。如果新機(jī)器在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，我們可以使塔更高、更寬、更復(fù)雜且成本更低。如果我們走得更高，我們可以在相同數(shù)量的土地上做更多的事情，并在更高的電壓下工作。

工程師可以查看支持傳輸 1、2、4、8、16、32、64 和 128 GWe 的模塊化塔式系統(tǒng)。更大的容量可能需要相鄰的多個(gè)塔。通常，8 GWe 被認(rèn)為非常大；然而，世界脫碳需要更大的尺寸。例如，可以使用 53 條線路，每條線路 19 GWe 將 1000 GWe 的電力移出大沙漠（53 x 19，100% CP，太陽能加儲(chǔ)能）。

要了解輸電塔是如何組裝的，可以觀看以下視頻：（a） 通過起重機(jī)垂直組裝，（b） 水平組裝 90 度樞軸到垂直位置，（c）世界上最大的水道交叉塔，以及 （d）電纜安裝。

機(jī)器人在您睡覺時(shí)構(gòu)建超級(jí)網(wǎng)格

一個(gè)合理的下一步是基金會(huì)或政府不為 10 個(gè)不同的團(tuán)隊(duì)提供 200 萬美元的資金，在 2 年內(nèi)為新一代塔開發(fā)粗略的設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單的原型，并進(jìn)行自動(dòng)化組裝。

這是一個(gè)示例概念，讓人們了解團(tuán)隊(duì)可能會(huì)做什么：

圖 7：超級(jí)網(wǎng)格

計(jì)算機(jī)控制下的推土機(jī)和壓路機(jī)為塔架組裝創(chuàng)造平坦的工作臺(tái)面。

由計(jì)算機(jī)控制的專用機(jī)器通過工業(yè)機(jī)器人在陸地上水平組裝塔，并對(duì)多根電纜施加張力，使塔旋轉(zhuǎn) 90 度到垂直位置，如上圖所示。在樞轉(zhuǎn)過程中，多個(gè)扳機(jī)保持塔的形狀。

一種類似于平板卡車的補(bǔ)給車，帶有塔式組件，將自身定位在裝配車附近，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

帶有螺旋鉆的車輛（未顯示）在計(jì)算機(jī)控制下為塔架鉆孔。此外，它還為錨定錨鉆孔，將銷釘插入孔中，并用鏈銷釘以錨定。引腳顯示在上圖中的右下方。

可選地，夾具連接到塔架，以支撐更高和更大的塔架，電纜拉動(dòng)夾具旋轉(zhuǎn) 90 度。

夾具和支點(diǎn)支點(diǎn)都比卡車長；因此，該系統(tǒng)旨在通過兩輛車輛在計(jì)算機(jī)控制下運(yùn)輸完全組裝的設(shè)備，每端一輛。例如，如果塔每隔 1 公里間隔，并且一個(gè)安裝 1000 個(gè)塔，那么長設(shè)備將被運(yùn)輸大約 1000 次。

帶有機(jī)械臂的小型塔式機(jī)器人，如上圖所示，以類似于工人的方式穿越軌道，并幫助組裝和維護(hù)。塔軌與機(jī)器人機(jī)械連接。

如果世界要在輸電塔上花費(fèi)數(shù)千億美元，那么花費(fèi) 2000 萬美元探索自動(dòng)化組裝似乎是合理的。

開發(fā)下一代直流轉(zhuǎn)換電子設(shè)備

高壓直流輸電需要昂貴的轉(zhuǎn)換電子設(shè)備，而且這些設(shè)備的制造量相對(duì)較低。隨后，脫碳工程師可以探索購買 HVDC 轉(zhuǎn)換電子設(shè)備的設(shè)計(jì)（或從頭開始設(shè)計(jì)），建立大規(guī)模生產(chǎn)的工廠，免費(fèi)提供所有技術(shù)商品化，并在全球范圍內(nèi)降低價(jià)格。人們需要通過在制造時(shí)節(jié)省更多來證明商品化成本的合理性。除了沿路徑接入外，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)還可以支持每一端的發(fā)射和接收功率。此外，它可能是模塊化的，以支持不同的電壓和電流。

的英飛凌＃T2251N70晶閘管（7.5KV，2300Amp，$ 3000），如下圖所示，是在高電壓DC轉(zhuǎn)換中使用的部件的一個(gè)例子。在典型的 2 GWe 系統(tǒng)中，可能在傳輸線的每一端使用 4，000 個(gè)這樣的晶閘管組件，總晶閘管組件成本為 2400 萬美元（2 端 x 4K x 3000 美元）。工程師可以探索購買高壓晶閘管組件的設(shè)計(jì)，公開商品化，并由代工廠大量生產(chǎn)，以降低成本。

圖 8：英飛凌設(shè)備

為了進(jìn)一步降低成本，工程師可以探索在工廠中通過機(jī)器人組裝制造上圖中未顯示的大型變壓器和電容器。關(guān)鍵零部件是否實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化、商品化；人們可能會(huì)看到適度的成本降低。

此外，工程師可以探索開發(fā)一種安裝在絕緣關(guān)節(jié)臂末端的電池供電機(jī)器人，能夠在全功率運(yùn)行時(shí)接觸高壓（由于絕緣臂和尖端的自供電機(jī)器人）。這可以使用紅外和光學(xué)相機(jī)檢查組件，以尋找過熱和其他問題，可能在故障之前。并且，它可以添加跳線以將電流從可疑組件轉(zhuǎn)移，并在全功率時(shí)更換組件。

移動(dòng)大量電力時(shí)，停機(jī)時(shí)間代價(jià)高昂；因此，自動(dòng)化檢查、維護(hù)和維修的成本可能是合理的。

傳輸挑戰(zhàn)

如果我們降低 HVDC 轉(zhuǎn)換電子設(shè)備和塔的成本，我們?nèi)匀恍枰獞?yīng)對(duì)多重挑戰(zhàn)：

土地、電纜、安裝和維護(hù)成本。

較長的電纜更容易出現(xiàn)故障。

綠色能源發(fā)電和輸電必須比靠近用戶的碳選項(xiàng)成本更低。

內(nèi)華達(dá)州的大部分電力來自天然氣，這告訴我們傳輸不是太陽能發(fā)電場(chǎng)的問題。我們需要讓這些在附近的沙漠社區(qū)在經(jīng)濟(jì)上更可行，然后才能讓它們?cè)谶b遠(yuǎn)的城市流行。

為了緩解挑戰(zhàn)，我們可以考慮：

政府通過法律，更容易要求電力線的通行權(quán)，以降低土地成本。

使用更高的電壓，因?yàn)樗鼈兛梢砸韵嗤耐恋亍⑺碗娎|成本輸送更多的電力。目前+-800VDC和1000VAC被認(rèn)為是可行的；然而，新一代的塔式和轉(zhuǎn)換電子設(shè)備可能有助于支持更高的電壓。

結(jié)論

超級(jí)電網(wǎng)將徹底背離我們當(dāng)前的系統(tǒng)，后者通常依賴于距離消費(fèi)者≤ 200 公里的能源。讓超級(jí)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)；然而，良好的第一步是開發(fā)新一代塔式高壓直流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這兩個(gè)組件和電纜構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)。

政府經(jīng)常尋找提案進(jìn)行審查，然后決定是或否。然而，人們可能需要先在工程上花費(fèi)數(shù)百萬美元，然后才能產(chǎn)生高質(zhì)量的提案。初始工程包括探索多種選擇、粗略設(shè)計(jì)、評(píng)估可行性、構(gòu)建簡(jiǎn)單原型和建模成本。不幸的是，政府通常在投入項(xiàng)目之前花這種錢很慢，這是一個(gè)代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。

或者，一組負(fù)責(zé)解決整個(gè)氣候變化問題的工程師會(huì)對(duì)此有不同看法。他們會(huì)認(rèn)為傳輸是脫碳的重要組成部分；他們會(huì)理解工程需要時(shí)間；他們會(huì)讓工程師探索新一代的塔和轉(zhuǎn)換電子設(shè)備，以及其他降低成本的措施。

編輯：hfy