觀點投書:跨越三個世紀的電流大戰

2020-01-04 05:40

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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。

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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。

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