針對低效率電力使用問題的解決方案與評估

英國利物浦大學(xué)電氣工程系 王瀅釗

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針對低效率電力使用問題的解決方案與評估

英國利物浦大學(xué)電氣工程系 王瀅釗

【摘要】在當(dāng)今社會中，電力在日常生產(chǎn)生活中有著不可替代的地位，同時對于電力的需求也在持續(xù)增長。然而，囿于資源的不斷減少，電力供應(yīng)面臨著巨大的壓力。為了解決這個問題，電力系統(tǒng)需要做出相應(yīng)的改進，更確切的說：改善電網(wǎng)系統(tǒng)，減少用電能量損耗以及提升發(fā)電機的效率。如果上述的任何方面可以得到改善，能源問題在未來則可被大大緩解。這篇報告將會陳述供電不足的現(xiàn)狀，然后提出三種解決問題的方案，最后再將它們做一個比較。

【關(guān)鍵詞】電力短缺；困境；技術(shù)解決

總體來講，電力短缺會導(dǎo)致一些社會與生活上的困擾。巴基斯坦的由于電力短缺，其居民在沒有充足電力供應(yīng)，不得不被炎熱氣候所煎熬，同時他們晚上無法使用任何電器，生活有著極大的不便[1]。事實上，停電也導(dǎo)致了犯罪率的上升，社會安全也無法得到保障，于此同時，一些工廠和小型企業(yè)不得不被迫停業(yè)，國家的經(jīng)濟增長也受到了影響。而導(dǎo)致這一切的原因則是電力利用率低下，巴基斯坦新聞公報曾經(jīng)指出，分配給各個公司工廠的電力有三分之一白白流失，有的企業(yè)甚至電力利用率不足一半。電力短缺的問題是全球面臨的共同問題，因此，提高電力的使用效率是全人類應(yīng)當(dāng)重視的課題。

1 改善電網(wǎng)

減少電力浪費的第一個方案是改進電網(wǎng)系統(tǒng)，減少輸送線上的電力損耗。以下方案可供參考：減少輸送線路的電阻，目前交流電被廣泛應(yīng)用于電力傳輸，其銅制輸送線路在長距離的輸送中存在著不可忽視的電阻，而一部分的電能將會被額外損耗在輸送線路上。在中國，這個損耗的比率就有6%[2]。然而，超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用使得零電阻成為了可能，如果將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于一次系統(tǒng)，則會使得用電效率得到很大的提升[3]。一種方法是將超導(dǎo)體的輸電線用導(dǎo)體包裹投入使用，這是目前為止最有價值也最切實際的高溫度系數(shù)超導(dǎo)體，而這個技術(shù)已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注[4]。

超導(dǎo)體雖然可以有效減少了電力的損耗，然而局限性也十分明顯。導(dǎo)體本身需要在低于77K的低溫下才能達到超導(dǎo)狀態(tài)[5]。特殊的構(gòu)材以及創(chuàng)造超導(dǎo)條件需要的環(huán)境都需要巨額的成本。如圖一所示，盡管超導(dǎo)輸電的成本在逐年降低，但是高昂的費用對于發(fā)展中國家來講是無法接受的。因此怎么降低建設(shè)成本是工程師們下一步亟待解決的問題。

2 減少用電能量損耗

第二個方案則是減少電機中不必要的電能損耗。第一個方面便是從用電器結(jié)構(gòu)上探索，提高電器的可靠性和實用性，通過更優(yōu)秀的設(shè)計和更精密的加工工藝，減少能量損耗的目的便可達到[6]；第二方面則是在控制系統(tǒng)上有所創(chuàng)新，尤其是在需電量大工廠例如電力驅(qū)動裝置或電熱設(shè)備，將電腦控制系統(tǒng)應(yīng)用于其中可以提高能量利用率。這些改變都會對節(jié)能產(chǎn)生影響。

對于用電器更好的設(shè)計可以提高能量利用率。然而，內(nèi)部所用的材料與廣泛推廣所需要的成本，這些未知因素的將會影響到新的產(chǎn)品設(shè)計；電腦控制系統(tǒng)也可以顯著的達到節(jié)能效果，僅制造業(yè)來講，電腦控制可以節(jié)省7%到11%的電力。而這個技術(shù)在匈牙利將勢在必行，因為在其工廠與現(xiàn)代化工廠相比有5%到15%的電力浪費[6]。然而，對于發(fā)展中國家，把高科技控制系統(tǒng)應(yīng)用于制造是很困難的。在未來，工程師們努力的目標則是致力于減少自動化系統(tǒng)成本與新型用電器的開發(fā)設(shè)計，如果任意一點有所進展，則電力效率的提升便不難實現(xiàn)。

3 提升發(fā)電機效率

減少能量損耗的第三個方式則是改善發(fā)電機的轉(zhuǎn)化率。第一個方式則是減少排放，原先排放氣體中的能量不僅不會排入大氣加劇溫室效應(yīng)，而且還能再次利用于發(fā)電。能量的來源主要來自于化石燃料的燃燒。最近的研究表明，天然氣發(fā)電是最高效，最環(huán)保而且最低資本的發(fā)電方式[7]，與燃煤發(fā)電站相比，傳統(tǒng)的火力發(fā)電站只有37.8%[8]的燃料利用率，但是天然氣發(fā)電可以達到69%[7]的發(fā)電效率同時還可以減少硫化物等排放，節(jié)約下脫硫脫硝的成本。如果這種發(fā)電方式被廣泛應(yīng)用，發(fā)電效率可以得到顯著提升。另一種方式則是對于發(fā)電機本身構(gòu)造進行改造，可以通過增加蘭金循環(huán)中空氣成分的壓力和溫度從而提升熱力發(fā)電機的效率，這樣一來整體的能量損耗也會降低。

對于第一種方式，雖然天然氣發(fā)電有著清潔高效的效果，但是天然氣本身高昂且不穩(wěn)定的價格導(dǎo)致其不能被大多數(shù)發(fā)電站接受。然而，燃料的聯(lián)合使用仍然不失為一種值得考慮的新型發(fā)電方式，使用天然氣（或者部分氣化煤）與普通燃煤一起燃燒，可以達到47.1%[7]的燃料使用率。而對于第二種方式，發(fā)電機的改造需要進行很大改動，而且價格不菲，所以這種發(fā)電方式被人們接受也需要一段時間。

4 總結(jié)

這篇報告描述了目前電力短缺的困境以及其原因，然后描述了由于電力短缺帶來的對社會生活的影響。然后又引出了相應(yīng)的三種解決方案來提升電力效率：改造電網(wǎng)，減少用電損耗以及提升發(fā)電效率。以上列出的三種提升電力效率的方案都可以達到提升電力效率的目的，然而各種方案各自的花費也各不相同，總體來講，提升發(fā)電機效率的方案是相對來說花費最低的，因此這個方案也是最易于接受的一種。如果未來人們可以在這些方面有所斬獲，則電力供應(yīng)的難題則能夠有所緩解。

附錄：

圖片1：超導(dǎo)線路的逐年成本[5]

參考文獻

[1]S.Kaufman,“Clinton Announces Projects to Improve Pakistan’s Energy Sector,”IIPDIGITAL,28102009.[Online ].Available: http://iipdigital.usembassy.gov/st/english/article/ 2009/10/20091028152138esnamfuak0.6514856.html#ixzz2jJ Tth1j5.[Accessed 30 10 2013].

[2]Wang Runhua, "Argumentation of management in electric power require-ment,Government agency energy-saving, avoid the rush time," Electricity Distribution,2008.CICED 2008. China International Conference on,vol.,no.,pp.1,8,10-13 Dec. 2008.

[3]Gubser,D.U.,"Superconductivity:an emerging powerdense energy-efficient technology,"Applied Superconductivity,IEEE Transactions on,vol.14,no.4, pp.2037,2046, Dec.2004.

[4]Q.Li,N.Amemiya,et.al,"AC loss reduction of outer-diameterfixed superconducting power transmission cables using narrow coated conductors," in PHYSICA C-SUPERCONDUCTIVITY AND ITS APPLICATIONS, ELSEVIER SCIENCE BV, 2013, pp.217-222.

[5]J. MULHOLLAND, et. al, " ANALYSIS OF FUTURE PRICES AND MARKETS FOR HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTORS" DOE Wire Development Workshops, 2000.

[6]Varadi,A.S.;Szentirmai,L.;Szarka, T., "Emerging electrical energy saving technologies and application for greenhouse gas emission abatement," Clean Electrical Power (ICCEP),2011 International Conference on,vol.,no., pp.426,433,14-16 June 2011.

[7]J.M.Beer, "High efficiency electric power generation:," Progress in Energy and Combustion Science,vol.33,pp. 107-134,2007.

[8]Sanpasertparnich,T.;Aroonwilas,A.;Veawab,A., "Improved Thermal Efficiency of Coal-Fired Power Station:Monte Carlo Simulation," EIC Climate Change Technology,2006 IEEE,vol.,no., pp.1,9,10-12 May 2006.