觀點投書:跨越三個世紀的電流大戰

2020-01-04 05:40

? 人氣

牽涉到輻射與核能的議題,幾乎沒有理性討論的空間。(資料照,12923@pixabay)

牽涉到輻射與核能的議題,幾乎沒有理性討論的空間。(資料照,12923@pixabay)

相信許多人都同意「電流大戰」是2019年在臺灣上映的電影中,相當精彩、值得一看的作品,不過就科普推廣來說,好像還少了一點點。而雖然130多年後的今天,我們的生活可以說是靠電力與相關的能源應用驅動著,但仔細觀察會發現,原來這場戰役,似乎還沒落幕,甚至還多了新戰場。趁著新年到來、能源議題也跟著選戰熱鬧起來的這時候,來一次補完吧!

既然交流電系統被廣泛使用了,為什麼很多家電要強調「直流變頻」

如果您看完電流大戰後第一個想到的是這個問題,那麼恭喜,您應該屬於認真過生活的類型。其實所謂的「直流變頻」家電,代表的正是交流電在馬達(電動機)驅動用途的好處。

尼古拉‧特斯拉可以說是19世紀的發明家中,最為悲劇性的人物,創造無數偉大的發明,卻被世人埋沒...(圖/取自youtube)
尼古拉‧特斯拉是19世紀的發明家,創造無數偉大的發明。(資料照,截自youtube)

自尼古拉‧特斯拉於1887~1888年間演示了可實用的交流馬達後,隨著技術演進,愈來愈多應用場合選擇使用交流馬達。和直流馬達比起來,交流馬達沒有電樞與電刷間磨耗的問題,且交流電正弦波和磁場旋轉狀態正確匹配的話可以達到很好的能源效率。「變頻」就是這個讓交流電波形與磁場旋轉匹配盡量最佳化的馬達控制手段,透過不同的電壓與頻率組合,可以讓馬達對於不同負載、不同轉速等狀況,都能有良好的運轉效率。

標榜「直流變頻」的家電,主要是將插座供應的交流電整流成直流電後,再由變頻控制器產生適當交流頻率、電壓以驅動馬達,藉以提升能源效率;順帶一提,有些標榜「直流無刷馬達」的產品,其本體也是自帶變頻控制器的交流馬達。值得注意是,「定頻」並不代表效率一定較差,而是最佳效率的轉速、負載區間很小;空調可能隨天氣狀況、室內人數與活動等不同有不同的運轉需求,洗衣機每次洗的衣服重量、水位也不盡相同,都適合使用變頻控制,而許多工業、大型建築機電設備等等應用場合,因為負載、轉速固定,還是會使用定頻運轉的馬達。

為什麼捷運用直流電,但高鐵用交流電

如果您會想到這邊,那麼相信您是對生活有著一定熱情的朋友。目前的電氣化鐵路、軌道運輸系統將電力供應到列車上的方式,確實是交流、直流皆有使用。但在驅動車輛的那一端幾乎都會使用到直流電,早期較常使用直流串激式馬達,隨著馬達製造與控制技術的進步,目前大多也和「直流變頻」家電一樣,使用變壓、變頻控制的交流馬達。

捷運、都會區軌道運輸系統考量了運行特性,選擇直接以直流供電;因為這類應用場合班次、車站密集、站間行駛距離短,所以會頻繁地加速、減速,列車本身的重量對於能源效率會有很大的影響。採用直流供電,電力自電車線或第三軌接取後可以直接用於驅動列車,省去在車上裝配大型變壓器與整流器的重量,對減輕車重、提升性能與能源效率非常有幫助。而且因為車站密集,有較多道旁空間設置相關供電設備,所以選擇較低電壓的直流電並不會造成太多額外的成本與耗損,目前臺灣的捷運系統便是以750V直流電為主。

但車站間行駛距離較長的系統狀況就不同了,如果要採用直流供電,需要建置更多的道旁機電設備、花費更多成本甚至電力耗損,因此會選擇在車上裝設變壓器與整流器,以高壓交流電供電。例如台鐵、高鐵使用的是25kV 60Hz的交流電,國外其他類似屬性的鐵路系統也是如此。這和當年交流電系統勝出的原因是一樣的——使用高壓交流電傳輸電力,有著耗損較低、設備較精簡、易於維護供電品質等優點。

電動車快速充電為什麼會用直流電

特斯拉Model S。(圖/擷取自特斯拉官方部落格)
電動車大廠特斯拉旗下Model S車種。(資料照,擷取自特斯拉官方部落格)

關注電動車發展的朋友應該也都有注意到,目前的充電系統對於快速充電需求提供的是直流電。電池將能量在電能與化學能間轉換,使用的一定是直流電,又電動車基於能源效率考量,目前也多使用交流永磁馬達,並搭配動能回充功能,也就是車輛減速時馬達會變成一台交流發電機(這點在現代的軌道車輛上也是),將動能回收利用。因此電動車上有整流器將動能回收產升的電力轉換為直流電,為電池充電。連接一般交流電充電插座時,也是透過車上的整流器轉為直流電後為電池充電,如此的設計除了可以兼顧動能回收需求外,也讓電動車可以方便地連接大多數建築物提供的交流電源。

至於為了滿足短時間快速充電的需求,勢必需要以非常大的功率充電,如果電動車因此要帶著一個很大、很重的整流器跑來跑去,那麼在一般道路行駛頻繁加速、減速的過程中,也是降低了能源效率。使用備有相關設備的快速充電樁提供大功率直流電,讓車輛連接後可以直接為電池充電是較簡單的做法,這和捷運、都會區軌道運輸使用直流電的原因相似。

扳回一城,高壓直流輸電

隨著電力輸送網路的發展,大型直流輸電系統又再次被受到重視,但差別是應用在跨越超長距離(目前應用大都在五十公里以上)連接不同的電力網路,做為電力調度用,而不是用於連接一般電力用戶輸配電用。

高壓直流輸電(high-voltage direct current, HVDC)以遠高於現有交流電系統的電壓輸送,其優勢在於以更高的電壓減少傳輸過程耗損、線路配置較三相交流電系統精簡,同時直流電不會有交流電的集膚效應(skin effect,指電流集中在導體表層的現象),能有效提升線路的傳輸容量。這些特性使得高壓直流輸電系統在超長距離輸電的應用場合有較佳的成本效益,目前國際上已有多個應用範例,包含海底輸電線路。

另外值得一提的是,在未來更多再生能源開發,還有隨之而來的電池式儲能、不同交流頻率規格的電力網路互連需求等應用場景下,也會是直流輸電相關技術的發展空間。

新戰場:綠能大戰

看看130多年前的直流電與交流電之爭,再看看今天全球各地對於核能、其他再生能源的爭議,會發現有種神奇的既視感。

在「電流大戰」中,直流電陣營大肆宣揚交流電系統的電是邪惡的、危險的,交流電設備開發過程發現的缺失也被過度放大、渲染。但其實電就是電,不論是交流電還是直流電,適當使用可以讓人們獲得益處,不當地使用也將帶來危險,何況交流電、直流電各有不同的適用場合,是可以相輔相成的。

這三十多年來,核能也如當年交流電系統被冠上了許多汙名,相關的問題、事件被過度放大、渲染;甚至被某些政治意識形態塑造成威權的象徵、被某些環保團體或開發業者塑造成與其他再生能源對立,而缺乏理性討論。

但其實核能與其他的再生能源、甚至是儲能技術,在正確、合理的配置下都是對環境友善的能源,也應該是如同交流電與直流電的合作關係;核能可以全天候穩定提供低碳電力,利用大自然力量的再生能源可以提供多元化的潔淨能源選擇,而儲能技術在一定程度上亦是平衡電網尖離峰負載、彌補再生能源不穩定性的利器。

都二十一世紀了,結束這場鬧劇吧

在交流電、直流電之爭後的幾十年裡,人類了解到交流電與直流電各有長處,造就了今天的發展。如果今天還有哪個人突然跳出來說「交流電是邪惡的」、「交流電會遺害下一代」、「我們不應該用交流電」……,稍微有點物理與電學常識的人應該會覺得那個人腦袋有問題。

我相信再過二、三十年後,人們回頭看現在的爭議,也會覺得是鬧劇一場。以目前地球的環境,接下來的時間相當關鍵,人們是否能誠實面對科學——包含低碳能源的迫切性、人為二氧化碳排放對氣候與環境影響的作用狀況——會影響到我們自己和下一代未來生存的環境。二十一世紀都已經過了快五分之一了,真的是時候結束這種鬧劇了。

令人欣慰的是,在聯合國氣候變遷專門委員會(IPCC)、國際能源總署(IEA)之後,梵蒂岡、歐洲議會、德國、澳洲、韓國⋯⋯等,也都陸續出現了一些應該合理使用核能幫助環境永續發展的聲音。臺灣在很多方面都走在進步的前端,在能源與環境這一塊,政府、政黨與政治人物,不論喜好與意識型態,也應該要有足夠的高度,以全面、開放的視野看待,才能持續維持領先地位。

*作者為工程師,「以核養綠」公投志工

關鍵字:
風傳媒歡迎各界分享發聲,來稿請寄至 opinion@storm.mg

本週最多人贊助文章

你可能也想看