爱迪生的复仇：直流电崛起

zhixun

能源     皮特费勒利（ Peter Fairley）    2012-07-01 00:13:11
宣扬直流电的爱迪生含恨败给倡导交流电的特斯拉。但正如所有传奇一样，100多年后，这个故事乾坤大逆转——在如今这个使用电子设备和太阳能越来越多的世界里，直流电凭借自身的优势，终于杀回来了。


1903年，为了保住直流电作为全美配电标准的地位，托马斯ㄠ迪生（Thomas Edison）最后一搏，他导演了一出臭名昭著的事件以此在某种程度上证明交流电的危险性，即：使用6600伏交流电，对一头被认为威胁人类的马戏团大象Topsy实施电刑。爱迪生的这一招纯粹是为了散布恐慌（高压直流电同样危险），但以失败告终：我们今天的电网主要使用交流电。

然而在Topsy倒下的一个多世纪后，交流电的地位看上去越来越不稳定了。由于各种各样的数码设备的耗电量日益增长，直流电这次凭借自身的优势，又杀回来了。任何使用晶体管的设备都要靠直流电，即电流方向不变。这解释了为什么台式机、iPhone和平板电视机都必须配备转换盒，转换盒可将墙上插座孔中的交流电（电流方向每秒钟改变120次）转换为直流电。


托马斯ㄠ迪生坐在一台留声机旁。这位发明家也是早期电力系统的先驱人物，曾大力倡导直流电。

直流电需求呈直线上升
根据匹兹堡大学（University of Pittsburgh）电力与能源倡议计划的负责人格雷格里德（Greg Reed）的说法，现今这类数码消费设备的耗电量占到总耗电量的五分之一。他表示，直流电的需求量呈直线上升不只是因为电脑，还因为发光二级管（LED）和太阳能板等设备的广泛应用。里德说：“很肯定，在未来的20年内，直流电的消耗将占据总电力负荷的50%。其增长速度之快甚至超出我们的想象。” 他表示，随着产生和使用直流电的设备的数量日益增加，将给节能带来很大的机会。通过把直流电配送给直流设备，而非沿途转换成交流电，就有可能避免每次电流转换过程中产生的巨大能量损耗。

现在，一些重型电子设备厂正在开发全直流的“微电网”（microgrid）向用户输电。以中国厦门大学于今年3月发布的直流微电网计划为例，它是一个独立电网，范围覆盖三座校园大楼，将150千瓦的屋顶太阳能阵列与LED照明系统和计算机服务器机房连接起来。

电动汽车的普及也可能会使直流电变得更加重要：电动汽车使用直流电充电，而且需要巨大的能量。科罗拉多大学波德分校（University of Colorado in Boulder）的电力电子学专家德拉甘氠克西莫维奇（Dragan Maksimovic）估计，他的团队正在开发的太阳能汽车充电器应该可以使电池板产生的10%的能量损失降至2%。马克西莫维奇正与电力变换器制造商Satcon合作，并且已从夏威夷可再生能源开发公司（Hawaii Renewable Energy Development Venture）获得了资金。该团队计划于今年春季在夏威夷拉奈岛上的一个旅游胜地安装太阳能充电器。

直流电的另一个驱动力是管理互联网和通信网络的数据中心。大型计算机集群现在消耗的电力占全球电力的1.3%以上，这一数字还在快速增长。输入电源是交流电，需要转换。一些公司正在安装大型的集中转换器然后通过服务器群配送380伏的直流电，而不是为每台电脑配置电流转换器。日本电信巨头NTT在东京地区有四个采用直流电的数据中心，去年该公司在位于东京西南的厚木市（Atsugi City）建成了一个使用直流电的服务器中心，首次对外部客户提供服务。

节能主要是通过采用效率更高的集中式逆变器，取代连接单个服务器上的交流-直流转换器来实现的。NTT公司在东京的设备部门的高级研发工程师广濑圭一（Keiichi Hirose）表示，与传统的交流电配置相比，转换电流和取代电池备份系统中的交流-直流转换器，可以减少15%的能耗。英特尔公司对美国的中型数据中心每年能节约的电量的估价高达120万美元，而在电价更高的欧洲和日本，这一数字应该会高得多。

直流照明电路也在迎头赶上。一家位于加利福尼亚州圣拉蒙（San Ramon）的企业Emerge Alliance支持在商用建筑里采用直流供电，该企业已经制定了24伏直流天花板电路的标准，并表示LED吊灯采用直流线路比其内部的交流-直流转换要节省高达15%的电能。Emerge Alliance公司现在正致力于将直流电用于公司员工的台式电脑，让他们无须使用热得发烫的转换器，就能给电脑或手机接上电源。


EMerge Alliance公司使用太阳能为办公室供电，所以，更加节能的直流电成为它们的电路标准。

两种截然不同的预测
这场抵制交流电、支持直流电的运动能像爱迪生曾经希望的那样，蔓延到建筑之外并扩大到覆盖周边地区、城市的范围吗？很多电力专家对此表示怀疑。交流电仍然是电网中传输电力的标准，而且许多设备，例如电动摩托，都使用交流电。马克西莫维奇表示：“我认为电力系统不会大规模地使用直流电。” 但其他人，比如里德，认为直流电的接班是不可避免的。他提到，输电线路在越来越多地采用直流电，因为高压直流电（HVDC）更容易控制，而且比交流电输电线路的能量损耗更少。长距离输电线路通常是开发风能与太阳能等可再生资源的关键，这些资源所在地都远离电力紧缺的城市。

正如爱迪生曾经猜想的一样，在电力供应链的源头和终端扩大直流电的分布比例，也为缩小直流电区域分布的差距创造了机会，里德指出，要将高压交流电转换成120伏特的居民用电，造成的能量损耗要比同等的直流电系统高出大约5%。他说：“如果在输电路一端使用高压直流电，在另一端使用普通直流电，就能够在两端间形成中压直流电。”

里德预测，有了这样的节能方式，用不了多久直流电就能实现从高压线路到终端用户的首次传输，尤其是在那些正在兴建新电力基础设施的发展迅速的国家。他表示：“我认为美国在10年内，中国在3到5年内就能实现这一目标。”

——皮特费勒利是美国版《科技创业》特约编辑，《IEEE》的能源版编辑。

——本文刊登于麻省理工《科技创业》2012年7月刊