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愛迪生的復仇：直流電崛起
2022-06-20

　　1903年，為了保住直流電作為全美配電標準的地位，托馬斯?愛迪生(Thomas Edison)最后一搏，他導演了一出臭名昭著的事件以此在某種程度上證明交流電的危險性，即：使用6600伏交流電，對一頭被認為威脅人類的馬戲團大象Topsy實施電刑。愛迪生的這一招純粹是為了散布恐慌(高壓直流電同樣危險)，但以失敗告終：我們今天的電網(wǎng)主要使用交流電。 　　然而在Topsy倒下的一個多世紀后，交流電的地位看上去越來越不穩(wěn)定了。由于各種各樣的數(shù)碼設備的耗電量日益增長，直流電這次憑借自身的優(yōu)勢，又殺回來了。任何使用晶體管的設備都要靠直流電，即電流方向不變。這解釋了為什么臺式機、iPhone和平板電視機都必須配備轉換盒，轉換盒可將墻上插座孔中的交流電(電流方向每秒鐘改變120次)轉換為直流電。 　　 ? 　　托馬斯?愛迪生坐在一臺留聲機旁。這位發(fā)明家也是早期電力系統(tǒng)的先驅人物，曾大力倡導直流電。 　　直流電需求呈直線上升 　　根據(jù)匹茲堡大學(University of Pittsburgh)電力與能源倡議計劃的負責人格雷格?里德(Greg Reed)的說法，現(xiàn)今這類數(shù)碼消費設備的耗電量占到總耗電量的五分之一。他表示，直流電的需求量呈直線上升不只是因為電腦，還因為發(fā)光二級管(LED)和太陽能板等設備的廣泛應用。里德說：“很肯定，在未來的20年內(nèi)，直流電的消耗將占據(jù)總電力負荷的50%。其增長速度之快甚至超出我們的想象?！?他表示，隨著產(chǎn)生和使用直流電的設備的數(shù)量日益增加，將給節(jié)能帶來很大的機會。通過把直流電配送給直流設備，而非沿途轉換成交流電，就有可能避免每次電流轉換過程中產(chǎn)生的巨大能量損耗。 　　現(xiàn)在，一些重型電子設備廠正在開發(fā)全直流的“微電網(wǎng)”(microgrid)向用戶輸電。以中國廈門大學于今年3月發(fā)布的直流微電網(wǎng)計劃為例，它是一個獨立電網(wǎng)，范圍覆蓋三座校園大樓，將150千瓦的屋頂太陽能陣列與LED照明系統(tǒng)和計算機服務器機房連接起來。 　　電動汽車的普及也可能會使直流電變得更加重要：電動汽車使用直流電充電，而且需要巨大的能量?？屏_拉多大學波德分校(University of Colorado in Boulder)的電力電子學專家德拉甘?馬克西莫維奇(Dragan Maksimovic)估計，他的團隊正在開發(fā)的太陽能汽車充電器應該可以使電池板產(chǎn)生的10%的能量損失降至2%。馬克西莫維奇正與電力變換器制造商Satcon合作，并且已從夏威夷可再生能源開發(fā)公司(Hawaii Renewable Energy Development Venture)獲得了資金。該團隊計劃于今年春季在夏威夷拉奈島上的一個旅游勝地安裝太陽能充電器。 　　直流電的另一個驅動力是管理互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)中心。大型計算機集群現(xiàn)在消耗的電力占全球電力的1.3%以上，這一數(shù)字還在快速增長。輸入電源是交流電，需要轉換。一些公司正在安裝大型的集中轉換器然后通過服務器群配送380伏的直流電，而不是為每臺電腦配置電流轉換器。日本電信巨頭NTT在東京地區(qū)有四個采用直流電的數(shù)據(jù)中心，去年該公司在位于東京西南的厚木市(Atsugi City)建成了一個使用直流電的服務器中心，首次對外部客戶提供服務。 　　節(jié)能主要是通過采用效率更高的集中式逆變器，取代連接單個服務器上的交流-直流轉換器來實現(xiàn)的。NTT公司在東京的設備部門的高級研發(fā)工程師廣瀨圭一(Keiichi Hirose)表示，與傳統(tǒng)的交流電配置相比，轉換電流和取代電池備份系統(tǒng)中的交流-直流轉換器，可以減少15%的能耗。英特爾公司對美國的中型數(shù)據(jù)中心每年能節(jié)約的電量的估價高達120萬美元，而在電價更高的歐洲和日本，這一數(shù)字應該會高得多。 　　直流照明電路也在迎頭趕上。一家位于加利福尼亞州圣拉蒙(San Ramon)的企業(yè)Emerge Alliance支持在商用建筑里采用直流供電，該企業(yè)已經(jīng)制定了24伏直流天花板電路的標準，并表示LED吊燈采用直流線路比其內(nèi)部的交流-直流轉換要節(jié)省高達15%的電能。Emerge Alliance公司現(xiàn)在正致力于將直流電用于公司員工的臺式電腦，讓他們無須使用熱得發(fā)燙的轉換器，就能給電腦或手機接上電源。 　　 ? 　　EMerge Alliance公司使用太陽能為辦公室供電，所以，更加節(jié)能的直流電成為它們的電路標準。 　　兩種截然不同的預測 　　這場抵制交流電、支持直流電的運動能像愛迪生曾經(jīng)希望的那樣，蔓延到建筑之外并擴大到覆蓋周邊地區(qū)、城市的范圍嗎?很多電力專家對此表示懷疑。交流電仍然是電網(wǎng)中傳輸電力的標準，而且許多設備，例如電動摩托，都使用交流電。馬克西莫維奇表示：“我認為電力系統(tǒng)不會大規(guī)模地使用直流電?！?但其他人，比如里德，認為直流電的接班是不可避免的。他提到，輸電線路在越來越多地采用直流電，因為高壓直流電(HVDC)更容易控制，而且比交流電輸電線路的能量損耗更少。長距離輸電線路通常是開發(fā)風能與太陽能等可再生資源的關鍵，這些資源所在地都遠離電力緊缺的城市。 　　正如愛迪生曾經(jīng)猜想的一樣，在電力供應鏈的源頭和終端擴大直流電的分布比例，也為縮小直流電區(qū)域分布的差距創(chuàng)造了機會，里德指出，要將高壓交流電轉換成120伏特的居民用電，造成的能量損耗要比同等的直流電系統(tǒng)高出大約5%。他說：“如果在輸電路一端使用高壓直流電，在另一端使用普通直流電，就能夠在兩端間形成中壓直流電?！? 　　里德預測，有了這樣的節(jié)能方式，用不了多久直流電就能實現(xiàn)從高壓線路到終端用戶的首次傳輸，尤其是在那些正在興建新電力基礎設施的發(fā)展迅速的國家。他表示：“我認為美國在10年內(nèi)，中國在3到5年內(nèi)就能實現(xiàn)這一目標?！?

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