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直流電源與交流電源之愛迪生與特斯拉的前世今

文章來源:穩壓電源公司,時間:2018-10-24 12:30    點擊量:

大家都知道,愛迪生發明電燈
而特斯拉是個出名的電動車牌子
 
 但其實
這兩位都是屬于電力界具有開創性的大神
 如果說愛迪生是百分之九十九的汗水造就的天才
那么特斯拉應該算是一個具有超級天賦的天才
只不過特斯拉比較低調,不太會social
直流電源與交流電源之愛迪生與特斯拉的前世今身對比
 
在這兩位大神之間
還有一個非常有名的賭局
“電流之爭” -- 直流電源電(DC) VS 交流電(AC)
 
所謂交流電
是指電流電壓的大小方向按一定的頻率交替變換
中國市電是單相220V/50Hz
而直流電源電的電流電壓方向一致
電流從正極流向負極
 
▼ 賭 局 的 過 去 式
 
愛迪生先發明了直流電源電
而特斯拉覺得交流電更好
愛迪生為了證明直流電源電更好
不惜用交流電來電死大象
想以安全問題來黑交流電
不過歷史上
這個賭局還是以交流電的廣泛普及,讓特斯拉完勝
 
 
原因嘛
可以歸結于交流電
在發電,輸電和用電三個方面的優勢
 
發電
傳統的發電裝置(例如,汽輪機組,水輪機組等),都采用同步電機,產生交流電更加方便高效。
直流電源與交流電源之愛迪生與特斯拉的前世今身對比
 
輸配電
電的傳輸是要經過先升后降的變壓,只有這樣才能減少傳輸線的損耗。法拉第感應定律說
只有變化的電磁場之間才能相互轉換。所以,交流電非常符合高效輸配電這一需求。
另外,零點切斷性能是交流電的殺手锏。在電流為零的時候瞬間切斷,可以將滅弧風險降到最小。如果滅弧失當,就可能出現下面的光影效果:
直流電源與交流電源之愛迪生與特斯拉的前世今身對比
 
用電
傳統的用電設備(電機,壓縮機,風扇)都是靠交流驅動,包括白熾燈用的也是人眼覺察不到的50/60Hz.的交流電
 
▼ 賭 局 的 現 在 進 行 時
特斯拉用交流電的三把利劍贏得了勝利
但是,隨著科技的發展
天平的兩端正在發生微妙的變化
 
發電
新能源太陽能和風能的出現,都對交流電的地位產生了新的質疑,太陽能產生的是直流電源電風能發電機由于速度的不確定性讓并網造成了困難,轉成直流電源是其中一個有效的解決方式。另外,工程師們發現對傳統的發電機進行變頻處理整流成直流電源后使用,可以讓很多發電機的效率提高5%~15%。
直流電源與交流電源之愛迪生與特斯拉的前世今身對比
 
輸配電
 
解決直流電源滅弧的安全問題一直都是百年來推廣直流電源的首要難題,隨著機械動力學與電力電子設備的發展,在2012年,ABB公司終于在直流電源斷路器及滅弧方面有了革命性的突破!據說當時ABB官方主頁是這么炫耀的:
直流電源與交流電源之愛迪生與特斯拉的前世今身對比
 
變電方面
由于替代晶閘管的IGBT, SiC(碳化硅)
等電力電子器件的出現
直流電源變電變得更加經濟,迷你和高效
那么直流電源之間的變換
是怎么“突破”法拉第感應定律的呢?
可以用斬波控制(PWM)的理論來解釋
 
 
斬波控制類似于黃瓜切片
把黃瓜切成細片
然后按照需要
以不同的高度整合起來
可以達到不同高度的黃瓜
 
拿最簡單的直流電源變換器來說,先將電壓進行快速切片,切片的同時切割磁力線,將能量儲存在變壓器或者電感中,然后以同樣的速度,把切片后的電壓濾波整合,就成了新的直流電源電壓。直流電源變電設備切的頻率越高,設備的體積也就越小,最新的SiC和GaN的器件可以將電壓以1MHz以上的頻率然后整合,Google 的目標是將變電設備做成5kW/L體積大概是傳統變壓器的十分之一或者更小。
下圖是北卡州立大學FREEDM實驗室,研發的Solid State Transformer (SST),用來構成直流電源配電系統,可以將變壓器的體積減小5倍。
直流電源與交流電源之愛迪生與特斯拉的前世今身對比
 
用電
用電設備的結構在慢慢的發生變化,很多主流的發電機的應用,例如空調/冰箱的壓縮機都需要變成直流電源變頻后使用才能更加高效,更加不用說消費型電子(如LED電視機,電腦,手機),用的都是3.3V~48V的直流電源,以至于,谷歌(Google)和臉書(Facebook)開始在他們的數據中心推廣了直流電源系統。
 
儲能
除了上述三個方面之外,直流電源電還有一個獨一無二的法寶--儲能。傳統意義上,電網中的電是不能存儲的,發多少就用多少。但是,直流電源可以儲存在某些化學介質中。傳統鉛酸電池是不能滿足電網級別的儲能需求的。新型的電池技術,例如高密度的鋰電池讓大規模電的存儲變成了可能。大量的電,特別是太陽能中的電被存儲在了電池中,以供需要時使用跟儲能相關的移動電子設備、電動汽車都開始占據或者進入人們的主流生活這一切都在展示著直流電源電的優勢。
 
▼ 賭 局 的 未 來 時
目前,在ABB,谷歌及各類新能源的研究機構的推動下,直流電源在輸電和配電各種領域,都已經得到飛速的發展。中國對高壓直流電源(HVDC)的應用,也一直走在世界前列。不過,由于交流基礎設施發展了一百多年,根基實在太大,直流電源電想要一下子咸魚翻身很難!不過,在下一個一百年,愛迪生和特斯拉關于交直流電源的賭局,誰輸誰勝很難預料,讓我們拭目以待!

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