世界发电系统的秘密与电网全球化的来历

译者: 卧薪越甲 | 发布: | 发布时间:2014-08-2,星期六 | 阅读:909
原文标题:The secret world of power generation, and the arrival of Earth-spanning super grids | ExtremeTech

世界发电系统的秘密与电网全球化的来历

很久很久以前,没有刮风,没有下雪…… 好吧,就在19世纪的中叶,在那时,电力只是被看作一件十分有趣的东西,却几乎毫无用处。当时的一些工厂和居民将早期电灯和用发电机发电驱动的电动机看作玩具;在电气化开始之前的几十年,人们普遍使用蒸汽管道和天然气来为房间保暖和驱动机器。在19世纪末,尼古拉·特斯拉发明了三相高压配电设备,在1938年,英国建成了世界第一个同步国家电网,世界随后发生了翻天覆地的变化。

一夜之间,电力变得价格低廉并且被源源不断地供应。至于电力的用途,仅仅在英国,在1920年,电力的用途种类为75万种,到了1938年,其用途种类达到了9百万种。同步电力,即在英国,不论从那个插座接入电线,其频率都是50Hz,这就意味着各种电力装置(收音机、电视、电动机)在哪都能正常运行,随着电力的生产和销售的增加,各种电力装置的销量也随之增加。其他国家也纷纷效仿英国建立同步国家电网;随着国内和国际间的电网被连接起来,现在的世界绝大多数电网都被同步连接起来,电网频率通常是50Hz或60Hz。

伦敦布里克斯顿的电力街区:第一条使用电力街灯照明的市场街(1895年)

现代电网是一个神奇的东西。从根本上来讲,现代电网是通过高压直流电缆来传输电力,电力的生产和消费能在一个国家内实现平衡,甚至一个大洲也能实现电力平衡。如果我们国家南部需要电力,我们可以启动北部的一个水电站发电;如果我们国家南部的电力有富余,我们可以让一个北部的水电站抽水蓄能;如果某地的风力发电或太阳能发电状况良好,我们能关闭一些燃煤涡轮发电机机或联合循环燃气涡轮发电机;如我们的邻国或邻州遭受了高温天气,我们能通过中间接线器向他们的电网输送电力;如果一个国家拥有大量的核电站(如法国),那么该国就有富余的电力卖给其他国家,当然,在用电高峰时,该国也能从其他国家购买电力。

虽然如此,我们还得注意到世界电网几乎没有能量储存设施,这一点让人印象深刻。除了少数国家拥有的抽水蓄能水电站之外,所有的国家电力的生产和消费必须同时进行。我们可以想象一下:为了满足数百万人的用电需求,到底要开动多少台发电机,这并非易事;在英国,仅需一个人就能解决这个问题。

如同读者看到的视频一样,只要一个人就能保证英国的电力生产很好地满足6千万喜爱喝茶的英国人的用电需求。在所有我看过的视频之中,这个视频是我最喜欢的视频之一。英国的电网系统还有一定的调节空间,即当电网的供电不足或供电过剩时,其50Hz频率能小幅度地下降或上升,以平衡用电供需不足。通常情况下,那个管理英国电网的人可以在几秒内决定多启动一台发动机或请求法国向英国供电,如果他不能及时作出决定,整个电网都会瘫痪。

在2008年5月,英国国家电网发生了一系列问题,导致电网频率下降到了48.792Hz,已经低于49.5安全区界线,不得不关闭数十万户居民供电线路,直到供电量上升至能让电网频率恢复正常的程度。

英国电网实时监控画面

世界各地的电网存在差异

如果这个视频或本文激起了你对电网的兴趣,我建议你去两个网站看看:英国国家电网实时状态网(http://www.gridwatch.templar.co.uk/)和法国国家电网实时状态网(http://www.gridwatch.templar.co.uk/france/)。我们在此不打算深入研究英法两国的电力结构,但这两个网站向人们展示了英法这两个高度类似的国家采用了了完全不同的方式来进行电力生产:法国自1973石油危机之后,开始大量建造核反应堆,现在法国的电力生产几乎全部依赖核电,再配以水电站进行电力生产调节(法国水电站主要集中在法国南部阿尔卑斯地区);与法国相比,英国仍然是常规混合供电模式,不仅煤、天然气和核能源被用来发电,可再生能源也被用来发电(英国在近海风力发电方面处于世界领先地位)。

法国供电依赖核电,有积极的一面,也有消极的一面。积极的一面是法国的发电量是难以置信地稳定(核电站的开启和关闭程序都不是那么容易),几乎完全不受全球化石燃料价格波动的影响,但核电也限制了法国在用电需求高峰时大幅提高电力生产的能力(例如在夏季高温时期)。只要看一下“德国/比利时/英国供电月度图表”,我们就能发现法国也间歇性地从德国进口数千兆瓦电量,以解决其国内供电短缺,而法国同时却向英国长期出口2千兆瓦电力(只要一秒多的时间)。

英国的核电站为让英国有了一个稳定的供电基础,并且英国还能通过常规发电方式来提高供电量,以煤和天然气为燃料的电站在白天发电,水电站被用来应对用电高峰(如同视频里描述的“电视开启”那样)。正如你们看到的那样,除了在寒冷的冬季,当英国本土的煤电站被启动后,英国还从法国进口2千兆瓦电量(英国的电力短缺是一个长期现象,必须要额外再建几个发电站才能满足)。法国通过一个跨海峡双向高压直流电缆向英国输送电力,该直流电缆在1986年完工,至今仍是世界上同类海底电缆中规模最大的。

超级智能电网

当前世界最大的同步电网是欧洲同步电网。欧洲同步电网遍及24个国家,为4亿用户供电,这些国家用国际连接头将各自的50Hz电网相互连接。按照上述视频资料,欧洲电网的采取的技术基本与英国电网相同,但欧洲电网的供电和消费必须在24个国家的消费者之间取得平衡,而不是仅仅满足一个喜爱喝茶的国家的国民的用电需求。

美国国内彼此对立,互不同步的电网示意图

美国是一个永久存在国内意识形态分歧和商业利益分歧的国家,与欧洲电网相比,美国电网没有什么能拿得出手的东西;虽然如此,美国东部互联电网规模相当大,为美国南部和东海岸地区消费者提供电力。美国最宽或最长的同步电网是IPS/UPS电网,该电网延伸到了前苏联地区,为2.8亿消费者供电。

被提议的欧洲超级电网,连接北非和中东地区

欧洲电网也没有止步不前。有人正探讨将美国IPS/UPS电网与欧洲电网同步连接,从而组建一个跨度超过1万英里,跨越13个时区的单个电网。随后不久,又有人谈论将欧洲电网建成超级智能电网,并与北非和中东地区的电网连接起来。这就意味着中东和北非地区安装的太阳能发电装置生产的电能可以在白天输送给欧洲,而欧洲国家常规电站在晚上生产的电力可以在晚上输送给中东和北非。正如“欧洲智能电网”这个名称所示,该电网具有智能电网的能力,如允许本地发电。

我们可以想象,这样的“超级智能电网”肯定需要花费大量资金来建造。美国也有类似几乎,美国计划在中西部制造风电站,将风电的发电量提升至全美发电量的20%,该计划仅仅在新型电缆方面的预算就高达6亿美元。人类对能源消费的需求不断上涨,至今没有下降的趋势,以规模经济来实现效益的超级电网的建成只是时间问题。当然,如果家庭热核电站或太阳能道路能在未来10年建成,超级电网就没有必要建造了。



 

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