如何降低電力傳輸成??本

有利于太陽能發(fā)電場和風力發(fā)電場的區(qū)域通常距離大城市 500 至 2000 公里，如下面的太陽能圖和風圖所示。此外，太陽能和風能是“間歇性的”，這意味著它們會隨時間變化，并且以無法控制的方式發(fā)生變化。出于這兩個原因，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：風平均速度

超級網(wǎng)格

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

超級電網(wǎng)挑戰(zhàn)

超級網(wǎng)格涉及多重挑戰(zhàn)：

大陸大小的天氣模式偶爾會導致許多太陽能發(fā)電場和許多風電場的電力減少。一種補救措施是在太陽能和風能充足的情況下填補閑置的發(fā)電量；然而，維護它是昂貴的。另一個補救措施是嚴重依賴聚光太陽能加熔鹽儲存加碳基燃料，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，成本低于接近消費者的碳選項；否則，社區(qū)將繼續(xù)燃燒附近的廉價煤炭和天然氣。

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)點和缺點。AC 更輕松地支持沿線多個低成本分接頭；而 DC 在源和消費者、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。有人可能會提倡在兩端使用轉(zhuǎn)換電子設(shè)備運行 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，沿途有多個來源和消費者，他們通過相對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，人們可能會在兩個大束之間放置約 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力施工期間沒有受到傷害。

圖 5：工人

支撐重捆的塔需要堅固，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、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 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，計算為 $0.21/Watt，這是合理的（$4.2B / 19 GWe）。

全球超級網(wǎng)格

我們現(xiàn)在將運行一些數(shù)字來了解全球超級電網(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% 的時間，這相當于 16，000 GWe，平均而言 （（56，000 * 1e12 / （ 24 小時 * 365 天）） / （1e9 * 40%））。如果在 19 GWe 的大型傳輸線中移動這種能量，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電網(wǎng)的計算，該電網(wǎng)通過 19 GWe 2000 公里的大型輸電線路轉(zhuǎn)移當今的能源消耗。要更清楚地看到這一點，請單擊圖片。如果您想插入自己的數(shù)字，請下載我們的電子表格并在工作表“計劃”中查看“全球超級網(wǎng)格”。

如果人們對遙遠的電力和大電網(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)自動化塔組裝系統(tǒng)

為了降低傳輸成本，工程師可以探索在計算機控制下通過專用設(shè)備實現(xiàn)大型塔架的運輸和建造自動化。如果新機器在現(xiàn)場進行組裝，我們可以使塔更高、更寬、更復雜且成本更低。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塔。通常，8 GWe 被認為非常大；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。

機器人在您睡覺時構(gòu)建超級網(wǎng)格

一個合理的下一步是基金會或政府不為 10 個不同的團隊提供 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)計和簡單的原型，并進行自動化組裝。

這是一個示例概念，讓人們了解團隊可能會做什么：

圖 7：超級網(wǎng)格

計算機控制下的推土機和壓路機為塔架組裝創(chuàng)造平坦的工作臺面。

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

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

帶有螺旋鉆的車輛（未顯示）在計算機控制下為塔架鉆孔。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，電纜拉動夾具旋轉(zhuǎn) 90 度。

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

帶有機械臂的小型塔式機器人，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。塔軌與機器人機械連接。

如果世界要在輸電塔上花費數(shù)千億美元，那么花費 2000 萬美元探索自動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（或從頭開始設(shè)計），建立大規(guī)模生產(chǎn)的工廠，免費提供所有技術(shù)商品化，并在全球范圍內(nèi)降低價格。人們需要通過在制造時節(jié)省更多來證明商品化成本的合理性。除了沿路徑接入外，標準化設(shè)計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，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

為了進一步降低成本，工程師可以探索在工廠中通過機器人組裝制造上圖中未顯示的大型變壓器和電容器。關(guān)鍵零部件是否實現(xiàn)量產(chǎn)、標準化、商品化；人們可能會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器人，能夠在全功率運行時接觸高壓（由于絕緣臂和尖端的自供電機器人）。這可以使用紅外和光學相機檢查組件，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，并在全功率時更換組件。

移動大量電力時，停機時間代價高昂；因此，自動化檢查、維護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)匀恍枰獞獙Χ嘀靥魬?zhàn)：

土地、電纜、安裝和維護成本。

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成本更低。

內(nèi)華達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)電場的問題。我們需要讓這些在附近的沙漠社區(qū)在經(jīng)濟上更可行，然后才能讓它們在遙遠的城市流行。

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，因為它們可以以相同的土地、塔和電纜成本輸送更多的電力。目前+-800VDC和1000VAC被認為是可行的；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

超級電網(wǎng)將徹底背離我們當前的系統(tǒng)，后者通常依賴于距離消費者≤ 200 公里的能源。讓超級電網(wǎng)經(jīng)濟地運行將是一個巨大的挑戰(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)。這兩個組件和電纜構(gòu)成了整個系統(tǒng)。

政府經(jīng)常尋找提案進行審查，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、評估可行性、構(gòu)建簡單原型和建模成本。不幸的是，政府通常在投入項目之前花這種錢很慢，這是一個代價高昂的錯誤。

或者，一組負責解決整個氣候變化問題的工程師會對此有不同看法。他們會認為傳輸是脫碳的重要組成部分；他們會理解工程需要時間；他們會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