针对低效率电力使用问题的解决方案与评估

英国利物浦大学电气工程系 王滢钊



针对低效率电力使用问题的解决方案与评估

英国利物浦大学电气工程系 王滢钊

【摘要】在当今社会中，电力在日常生产生活中有着不可替代的地位，同时对于电力的需求也在持续增长。然而，囿于资源的不断减少，电力供应面临着巨大的压力。为了解决这个问题，电力系统需要做出相应的改进，更确切的说：改善电网系统，减少用电能量损耗以及提升发电机的效率。如果上述的任何方面可以得到改善，能源问题在未来则可被大大缓解。这篇报告将会陈述供电不足的现状，然后提出三种解决问题的方案，最后再将它们做一个比较。

【关键词】电力短缺；困境；技术解决

总体来讲，电力短缺会导致一些社会与生活上的困扰。巴基斯坦的由于电力短缺，其居民在没有充足电力供应，不得不被炎热气候所煎熬，同时他们晚上无法使用任何电器，生活有着极大的不便[1]。事实上，停电也导致了犯罪率的上升，社会安全也无法得到保障，于此同时，一些工厂和小型企业不得不被迫停业，国家的经济增长也受到了影响。而导致这一切的原因则是电力利用率低下，巴基斯坦新闻公报曾经指出，分配给各个公司工厂的电力有三分之一白白流失，有的企业甚至电力利用率不足一半。电力短缺的问题是全球面临的共同问题，因此，提高电力的使用效率是全人类应当重视的课题。

1 改善电网

减少电力浪费的第一个方案是改进电网系统，减少输送线上的电力损耗。以下方案可供参考：减少输送线路的电阻，目前交流电被广泛应用于电力传输，其铜制输送线路在长距离的输送中存在着不可忽视的电阻，而一部分的电能将会被额外损耗在输送线路上。在中国，这个损耗的比率就有6%[2]。然而，超导技术的应用使得零电阻成为了可能，如果将超导技术应用于一次系统，则会使得用电效率得到很大的提升[3]。一种方法是将超导体的输电线用导体包裹投入使用，这是目前为止最有价值也最切实际的高温度系数超导体，而这个技术已经受到了广泛的关注[4]。

超导体虽然可以有效减少了电力的损耗，然而局限性也十分明显。导体本身需要在低于77K的低温下才能达到超导状态[5]。特殊的构材以及创造超导条件需要的环境都需要巨额的成本。如图一所示，尽管超导输电的成本在逐年降低，但是高昂的费用对于发展中国家来讲是无法接受的。因此怎么降低建设成本是工程师们下一步亟待解决的问题。

2 减少用电能量损耗

第二个方案则是减少电机中不必要的电能损耗。第一个方面便是从用电器结构上探索，提高电器的可靠性和实用性，通过更优秀的设计和更精密的加工工艺，减少能量损耗的目的便可达到[6]；第二方面则是在控制系统上有所创新，尤其是在需电量大工厂例如电力驱动装置或电热设备，将电脑控制系统应用于其中可以提高能量利用率。这些改变都会对节能产生影响。

对于用电器更好的设计可以提高能量利用率。然而，内部所用的材料与广泛推广所需要的成本，这些未知因素的将会影响到新的产品设计；电脑控制系统也可以显著的达到节能效果，仅制造业来讲，电脑控制可以节省7%到11%的电力。而这个技术在匈牙利将势在必行，因为在其工厂与现代化工厂相比有5%到15%的电力浪费[6]。然而，对于发展中国家，把高科技控制系统应用于制造是很困难的。在未来，工程师们努力的目标则是致力于减少自动化系统成本与新型用电器的开发设计，如果任意一点有所进展，则电力效率的提升便不难实现。

3 提升发电机效率

减少能量损耗的第三个方式则是改善发电机的转化率。第一个方式则是减少排放，原先排放气体中的能量不仅不会排入大气加剧温室效应，而且还能再次利用于发电。能量的来源主要来自于化石燃料的燃烧。最近的研究表明，天然气发电是最高效，最环保而且最低资本的发电方式[7]，与燃煤发电站相比，传统的火力发电站只有37.8%[8]的燃料利用率，但是天然气发电可以达到69%[7]的发电效率同时还可以减少硫化物等排放，节约下脱硫脱硝的成本。如果这种发电方式被广泛应用，发电效率可以得到显著提升。另一种方式则是对于发电机本身构造进行改造，可以通过增加兰金循环中空气成分的压力和温度从而提升热力发电机的效率，这样一来整体的能量损耗也会降低。

对于第一种方式，虽然天然气发电有着清洁高效的效果，但是天然气本身高昂且不稳定的价格导致其不能被大多数发电站接受。然而，燃料的联合使用仍然不失为一种值得考虑的新型发电方式，使用天然气（或者部分气化煤）与普通燃煤一起燃烧，可以达到47.1%[7]的燃料使用率。而对于第二种方式，发电机的改造需要进行很大改动，而且价格不菲，所以这种发电方式被人们接受也需要一段时间。

4 总结

这篇报告描述了目前电力短缺的困境以及其原因，然后描述了由于电力短缺带来的对社会生活的影响。然后又引出了相应的三种解决方案来提升电力效率：改造电网，减少用电损耗以及提升发电效率。以上列出的三种提升电力效率的方案都可以达到提升电力效率的目的，然而各种方案各自的花费也各不相同，总体来讲，提升发电机效率的方案是相对来说花费最低的，因此这个方案也是最易于接受的一种。如果未来人们可以在这些方面有所斩获，则电力供应的难题则能够有所缓解。

附录：

图片1：超导线路的逐年成本[5]

参考文献

[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.