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在第一回中,我們提到電業數十年來長久不變,但是在電業開始發展的1880年代,狀況可不是如此,電業才開始起步,就先展開一場後世稱之為「電流大戰」的猛烈商業競爭,由愛迪生所主導的直流電,大戰歐洲與西屋陣營主導的交流電,這場大戰不但牽涉到現在的兩大複合工業龍頭奇異與西屋,也牽扯到愛迪生與不世出的天才特斯拉,因此至今為人津津樂道。

這場大戰的起因,是愛迪生主打直流電,使用直流電的好處一目瞭然,因為不論是電燈或是馬達,都使用直流電,要幫電池充電,用的也是直流電,別說愛迪生時代,現代大多數電器內部都是用直流電,我們現在用電腦在看這篇文章,電腦內部也是用直流電。

但是直流電卻有一個重大缺點,就是無法輕易改變電壓,直流電若要改變電壓,唯一的辦法是「重新發電」,例如用直流電驅動馬達,轉動發電機重新發電,或是用直流電幫電池充電以後,再從電池重新輸出電力,如此一來,轉換過程中將耗損大量能源。

交流電則不同,只要利用應用法拉第電磁感應定律的變壓器,就能改變電壓,過程中損耗的能量相當少。

為何需要改變電壓?因為若要長途傳輸電力,電壓越高,損耗越小,交流電可以輕易改變電壓的特性,讓電力網路可以先升壓成高壓電,輸送到目的地後,再降壓成一般使用的電壓;直流電卻因為轉換電壓的成本太高而沒辦法這樣做。

受限於電力傳輸上的弱點,愛迪生成為最早的分散式能源主張者,他主張每個街區都有個發電站,但是當年分散式能源的一切條件都未成熟,集中式大型發電廠的效率遠高於小型發電機,於是,儘管愛迪生無所不用其極的攻擊對手,他還是很快敗下陣來,他所屬的奇異公司,不顧他的反對轉投交流電陣營,甚至連愛迪生自己,在特斯拉過世後,也默默的改投交流電陣營,逐步停止殘存的直流電電網。

諷刺的是,直流電雖然因為傳輸問題敗陣,但是其實高壓直流電比高壓交流電更利於長途傳輸,因為交流電有「趨膚效應」,電流傾向只從電線的表面通過,直流電則沒有此一效應,因此長程傳輸時的損耗比交流電還小,因此,後來在汞弧管以及後續的各種直交流轉換工具發明以後,長途點對點的電力傳輸,往往由高壓交流電轉換為高壓直流電,以高壓直流輸電進行,雖然直交流電的轉換過程會耗損電力,但是長途輸電過程中減少的損耗,超過轉換的損失。

除了損耗較少之外,還有一個好處,就是以高壓直流輸電聯接的兩個電力網路,若其中一個發生跳電時,不會波及另外一個。

不過這是在電網之間的大規模點對點輸電,與我們比較沒有直接關係。我們一般生活中看到的電力網路,都是交流電,所以現在電子設備的電源供應器內部都少不了把交流電轉換成直流電的整流器。

「電流大戰」的結果,直流電只能困守在應用的終端,以及最長程、電網與電網間、點對點的電力輸送,最低與最高兩個極端,中間的領域,則由交流電囊括。

但愛迪生大概作夢也沒想到,分散式能源在他死後這麼久,竟然因為種種技術上與金融方面(見上一篇)的成熟,將成為未來的主流,這使得「電流大戰」到了21世紀又要重新洗牌。

在分散式能源中,包括太陽能電池、燃料電池,以及能源儲存的各種電池,都是供應直流電,如果為了配合現有的交流電系統,把太陽能電池的直流電經逆變器整成交流電,再到電器的整流器整成直流電……若是集中式思維下建立的大型太陽能發電廠,為了把電力傳輸出去,變來變去也是無可奈何,但若是分散式系統,自家的太陽能面板發電給自家電器用,卻還要變來變去,豈不是有點脫褲子放屁?

所以,乾脆回到愛迪生的想法,建立全直流電網如何?

你說這是異想天開?但英國政府可不這樣想,英國能源暨氣候變遷部(Department of Energy and Climate Change),撥款500萬英鎊,由新創企業Moixa科技主導,與經營電力需求反饋系統的希威電力(KiWi Power)、可再生能源電力供應商良善能源(Good Energy)、節能與綠能解決方案商AVC NextGen,以及供電範圍達2萬5千平方公里的電力公司北方電網(Northern Power Grid)一起合作,開始實地試驗全直流系統。

計畫將在300戶家庭內,裝設太陽能電池、能源儲存電池,以及直流電力系統,直流電供應節能LED燈照明,而其他電器呢?則使用USB埠作為直流供電方式。直流對直流的結果,預計將可以節省三分之一的電力。

雖然這個實驗的規模有限,一些如抽水幫浦等用電較大的裝置,還是保持原本的交流電設備,沒有為了這次實驗就全盤更換,然而,即使只是這樣小規模的改變,若廣為推動,也可望在用電尖峰時間降低2成的負載,等於憑空多出2成的備載容量。

而想到應用直流電系統的也不只是英國,在美國,EMerge Alliance就一直在推動直流照明系統,以及推動直流電供電的資料中心,Facebook就接受了這個概念,設計直流供電伺服器,由於減少了直交流電轉換的次數,這款伺服器可節能達38%。

今天的能源思考題,要給大家思考的就是:如果交流電與直流電這麼基本的常識,一世紀以來的「電流大戰」結果,都有可能被改寫,那麼你腦中對電業的常識與知識,是永遠不變的真理?還是只是腦袋「恐固力」了?

從第一篇起,我們一直談到分散式能源對電業將產生多麼天翻地覆的影響,許多讀者可能沒有實感,但是如果連直流電跟交流電的觀念都會反轉,相信應該可以體會所謂天翻地覆是什麼樣的程度。

關於分散式能源的基本觀念討論,到本篇就稍告一個段落,下週起,我們將環遊世界,思考各國近來的一些能源發展。

 

 

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  • mtl
  • Edison 1931 年過世,Tesla 1943 年過世,前者沒法在後者過世後改變直流電供應網路吧?
  • mtl說的對
  • 編寫前請考證,加油好嗎?
  • 悄悄話