如何降低电力的传输成​​本

有利于太阳能发电场和风力发电场的区域通常距离大城市 500 至 2000 公里。此外，太阳能和风能是“间歇性的”，这意味着它们会随时间变化，并且以无法控制的方式发生变化。出于这两个原因，我们希望能够以低成本传输大量电力、长距离传输。

超级网格

理论上，一个新的输电网络可以将许多遥远的太阳能发电场、风力发电场、水电大坝、核电站和人口稠密地区连接在一起。如果一个地区没有风或晴天，那么另一个产能过剩的地区可能会提供帮助。这通常被称为“超级网格”，并且已经编写了多个提案。例如，美国的一项提案将风能从该国的中心向外转移。欧洲的一项提案从北非转移太阳能，从大西洋转移风力，如下左图所示。

中国目前在长距离输送大量电力方面处于领先地位，并且安装的超高压电力线数量超过任何其他国家（例如 8 GWe、±800 kVDC 或 1000 kVAC）。

超级电网挑战

超级网格涉及多重挑战：

大陆大小的天气模式偶尔会导致许多太阳能发电场和许多风电场的电力减少。一种补救措施是在太阳能和风能充足的情况下填补闲置的发电量；然而，维护它的成本很高。另一个补救措施是严重依赖聚光太阳能加熔盐储存加碳基燃料，它可以提供 24 x 365 的电力；然而，这也很昂贵。

我们仍然需要绿色源加传输，成本低于接近消费者的碳选项；否则，社区将继续燃烧附近的廉价煤炭和天然气。

上述挑战令人生畏；然而，随着成本的显着降低，工程师们或许能够让超级电网发挥作用。

100 年来，输电一直承受着降低成本的压力。因此，脱碳工程师能否进一步降低电力行业已经在做的事情之外的传输成本似乎值得怀疑；除非关键部件因产量小而未批量生产，或因太复杂而未开发专用设备。

高压交流与直流

电力可以以高压交流或直流形式传输；每一种都有其优点和缺点。AC 更轻松地支持沿线的多个低成本分接头；而 DC 在源和消费者、地下电缆和长距离（即不受线路电容影响）的不同正弦波情况下效果更好。有人可能会提倡在两端都装有转换电子设备的直流线路上运行 2000 公里；然而，在许多情况下，电力公司更喜欢交流输电，沿途有多个来源和消费者，他们通过相对低成本的变压器接入。如果你想让直流超越交流，你需要降低转换电子的成本，并开发低成本的抽头，如下图所示。

图 4：成本

移动异常大量的电力

为了传输大功率，人们可能会在两个大束之间放置约 160 万伏特的电压，而每束中电缆之间的电压为约 0 伏特。

支撑重捆的塔需要坚固，支撑非常高电压的塔需要高；因此，传输大量能量的塔很可能又高又强，又大又重。

例如，如果将 8 根 5 厘米（2 英寸）直径的 1500 安培铝质电缆放入一束中，两束之间的电压为 1，600kVDC （±800kVDC），则可以在 2000 公里的距离内移动 19.2 GWe，例如功率损耗为 5.2%。如果塔每 0.8 公里间隔，则每个塔将通过电缆支撑 70 公吨的重量，电缆的原铝总成本将是 4.6 亿美元，例如 2.62 美元/公斤。如果每座塔重 200 公吨，钢材成本为 500 美元/吨，那么每座塔将需要 10 万美元的原钢。如果非钢塔成本为每塔 40 万美元，而每条线路需要 2，500 个塔，那么每条线路的塔总成本将为 1.25B 美元。如果其他成本为每条线路 $2.5B，那么每条传输线的总成本将为 $4.2B，计算为 $0.21/Watt，这是合理的（$4.2B / 19 GWe）。

全球超级网格

我们现在将运行一些数字来了解全球超级电网的成本。正如解决气候变化问题需要知道的 10 件事中所述，世界每年消耗大约 56，000 TWh 的能源，如果使用 40% 的时间，这相当于 16，000 GWe，平均而言 （（56，000 * 1e12 / （ 24 小时 * 365 天）） / （1e9 * 40%））。如果在 19 GWe 的大型传输线中移动这种能量，则需要 830 条线路，例如 （16，000 GWe / 19 GWe）。如果在全球范围内建设超过20年，每年将建设41条新线路（832条线路/20年）；例如，美国为 7 年（28 亿美元/年），中国为 10 年（42 亿美元/年），欧洲为 6 年（24 亿美元/年）。

下面显示的是全球超级电网的计算，该电网通过 19 GWe 2000 公里的大型输电线路转移当今的能源消耗。要更清楚地看到这一点，请单击图片。

如果人们对遥远的电力和大电网不满意，那么可以考虑成本降低的核电 ≤ 200 公里距离消费者，如美国政府如何以 100B 美元解决气候变化问题中所述。

图 6：成本

开发自动化塔组装系统

为了降低传输成本，工程师可以探索在计算机控制下通过专用设备实现大型塔架的运输和建造自动化。如果新机器在现场进行组装，我们可以使塔更高、更宽、更复杂且成本更低。如果我们爬得更高，我们可以在相同数量的土地上做更多的事情，并在更高的电压下工作。

工程师可以查看支持传输 1、2、4、8、16、32、64 和 128 GWe 的模块化塔式系统。更大的容量可能需要相邻的多个塔。通常，8 GWe 被认为非常大；然而，世界脱碳需要更大的尺寸。例如，可以使用 53 条每条 19 GWe 的线路将 1000 GWe 的电力从大沙漠（53 x 19，100% CP，太阳能加存储）中移出。

要了解输电塔是如何组装的，可以观看以下视频：（a） 通过起重机垂直组装，（b） 水平组装 90 度枢轴到垂直位置，（c）世界上最大的水道交叉塔，以及 （d）电缆安装。

机器人在您睡觉时构建超级网格

一个合理的下一步是基金会或政府不以 200 万美元资助 10 个不同的团队，每个团队在 2 年内为新一代塔开发粗略的设计和简单的原型，并进行自动化组装。

在计算机控制下的推土机和压路机为塔架组装创造了平坦的工作台面。

由计算机控制的专用机器通过工业机器人在陆地上水平组装塔，并对多根电缆施加张力，使塔旋转 90 度到垂直位置，如上图所示。在枢转过程中，多个扳机保持塔的形状。

一种类似于平板卡车的补给车，带有塔式组件，将自身定位在装配车附近，并通过计算机进行协调。

带有螺旋钻的车辆（未显示）在计算机控制下为塔架钻孔。此外，它还为锚定锚钻孔，将销插入孔中，并用链销连接锚定。引脚显示在上图中的右下方。

可选地，夹具连接到塔架，以支撑更高和更大的塔架，电缆拉动夹具旋转 90 度。

夹具和支点支点都比卡车长；因此，该系统旨在通过两辆车辆在计算机控制下运输完全组装的设备，每端一辆。例如，如果塔每隔 1 公里间隔，并且一个安装 1000 个塔，那么长设备将被运输大约 1000 次。

带有机械臂的小型塔式机器人，如上图所示，以类似于工人的方式穿越轨道，并帮助组装和维护。塔轨与机器人机械连接。

如果世界要在输电塔上花费数千亿美元，那么花费 2000 万美元探索自动化组装似乎是合理的。

开发下一代直流转换电子设备

高压直流输电需要昂贵的转换电子设备，而且这些设备的制造量相对较小。随后，脱碳工程师可以探索购买 HVDC 转换电子设备的设计（或从头开始设计），建立大规模生产的工厂，免费提供所有技术商品化，并在全球范围内降低价格。人们需要通过在制造时节省更多来证明商品化成本的合理性。除了沿路径接入外，标准化设计还可以支持每一端的发射和接收功率。此外，它可能是模块化的，以支持不同的电压和电流。

的英飞凌＃T2251N70晶闸管（7.5KV，2300Amp，$ 3000），是在高电压DC转换中使用的部件的一个例子。在典型的 2 GWe 系统中，可能在传输线的每一端使用 4，000 个这样的晶闸管组件，总晶闸管组件成本为 2400 万美元（2 端 x 4K x 3000 美元）。工程师可以探索购买高压晶闸管组件的设计，公开商品化，并由代工厂大量生产，以降低成本。

为了进一步降低成本，工程师可以探索在工厂中通过机器人组装制造上图中未显示的大型变压器和电容器。关键零部件是否实现量产、标准化、商品化；人们可能会看到适度的成本降低。

此外，工程师可以探索开发一种安装在绝缘关节臂末端的电池供电机器人，能够在全功率运行时接触高压（由于绝缘臂和尖端的自供电机器人）。这可以使用红外和光学相机检查组件，以寻找过热和其他问题，可能在故障之前。而且，它可以添加跳线以将电流从可疑组件转移，并在全功率时更换组件。

移动大量电力时，停机时间代价高昂；因此，自动化检查、维护和维修的成本可能是合理的。

传输挑战

如果我们降低 HVDC 转换电子设备和塔的成本，我们仍然需要应对多重挑战：

土地、电缆、安装和维护成本。

较长的电缆更容易出现故障。

绿色能源发电和输电必须比靠近用户的碳选项成本更低。

内华达州的大部分电力来自天然气，这告诉我们传输不是太阳能发电场的问题。我们需要让这些在附近的沙漠社区在经济上更可行，然后才能让它们在遥远的城市流行起来。

为了缓解挑战，我们可以考虑：

政府通过法律，更容易要求电力线的通行权，以降低土地成本。

使用更高的电压，因为它们可以以相同的土地、塔和电缆成本输送更多的电力。目前+-800VDC和1000VAC被认为是可行的；然而，新一代的塔式和转换电子设备可能有助于支持更高的电压。

结论

超级电网将彻底背离我们当前的系统，后者通常依赖于距离消费者≤ 200 公里的能源。让超级电网经济地运行将是一个巨大的挑战；然而，良好的第一步是开发新一代塔式高压直流转换系统。这两个组件和电缆构成了整个系统。

政府经常寻找提案进行审查，然后决定是或否。然而，人们可能需要先在工程上花费数百万美元，然后才能产生高质量的提案。初始工程包括探索多种选择、进行粗略设计、评估可行性、构建简单原型和建模成本。不幸的是，政府通常在投入项目之前花这种钱很慢，这是一个代价高昂的错误。

或者，一组负责解决整个气候变化问题的工程师会对此有不同的看法。他们会认为传输是脱碳的重要组成部分；他们会理解工程需要时间；他们会让工程师探索新一代的塔和转换电子设备，以及其他降低成本的措施。

审核编辑：郭婷