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如何降低電力傳輸成​​本

2021年10月07日 16:28 次閲讀

有利於太陽能發電場和風力發電場的區域通常距離大城市 500 至 2000 公里,如下面的太陽能圖和風圖所示。此外,太陽能和風能是“間歇性的”,這意味着它們會隨時間變化,並且以無法控制的方式發生變化。出於這兩個原因,我們希望能夠以低成本傳輸大量電力、長距離傳輸。

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圖1:光伏發電潛力的長期平均值

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圖2:風平均速度

超級網格

理論上,一個新的輸電網絡可以將許多遙遠的太陽能發電場、風力發電場、水電大壩、核電站和人口稠密地區連接在一起。如果一個地區沒有風或晴天,那麼另一個產能過剩的地區可能會提供幫助。這通常被稱為“超級網格”,並且已經編寫了多個提案。例如,美國的一項提案將風能從該國的中心向外轉移,如下圖所示。歐洲的一項提案從北非轉移太陽能,從大西洋轉移風力,如下左圖所示。

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圖 3:網格

中國目前在長距離輸送大量電力方面處於領先地位,並且安裝的超高壓電力線數量超過任何其他國家(例如 8 GWe、±800 kVDC 或 1000 kVAC)。

超級電網挑戰

超級網格涉及多重挑戰:

大陸大小的天氣模式偶爾會導致許多太陽能發電場和許多風電場的電力減少。一種補救措施是在太陽能和風能充足的情況下填補閒置的發電量;然而,維護它是昂貴的。另一個補救措施是嚴重依賴聚光太陽能加熔鹽儲存加碳基燃料,它可以提供 24 x 365 的電力;然而,這也很昂貴。

我們仍然需要綠色源加傳輸,成本低於接近消費者的碳選項;否則,社區將繼續燃燒附近的廉價煤炭和天然氣。

上述挑戰令人生畏;然而,隨着成本的顯着降低,工程師們或許能夠讓超級電網發揮作用。

100 年來,輸電一直承受着降低成本的壓力。因此,脱碳工程師能否進一步降低電力行業已經在做的事情之外的傳輸成本似乎值得懷疑;除非關鍵部件因產量小而未批量生產,或因太複雜而未開發專用設備。

高壓交流與直流

電力可以以高壓交流或直流形式傳輸;每一種都有其優點和缺點。AC 更輕鬆地支持沿線多個低成本分接頭;而 DC 在源和消費者、地下電纜和長距離(即不受線路電容的影響)的不同正弦波情況下效果更好。有人可能會提倡在兩端使用轉換電子設備運行 2000 公里的直流線路;然而,在許多情況下,電力公司更喜歡交流輸電,沿途有多個來源和消費者,他們通過相對低成本的變壓器接入。如果想讓直流超越交流,就需要降低轉換電子的成本,開發低成本的抽頭,如下圖所示。

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圖 4:成本

移動異常大量的電力

左下角的兩張照片顯示了 8 根電纜束,比右下角所示的典型 3 根電纜束大得多。為了傳輸大功率,人們可能會在兩個大束之間放置約 160 萬伏特的電壓,而每束內電纜之間的電壓為約 0 伏特。下圖所示的工人在無動力施工期間沒有受到傷害。

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圖 5:工人

支撐重捆的塔需要堅固,支撐非常高電壓的塔需要高;因此,傳輸大量能量的塔很可能很高、很結實、又大又重。

例如,如果將 8 根 5 釐米(2 英寸)直徑的 1500 安培鋁電纜放在一束中,兩束之間的電壓為 1,600kVDC (±800kVDC),則可以在 2000 公里的距離內移動 19.2 GWe,例如功率損耗為 5.2%。如果塔每 0.8 公里間隔,它們每個將通過電纜支撐 70 公噸的重量,電纜原料鋁的總成本將是 4.6 億美元,例如 2.62 美元/公斤。如果每座塔重 200 公噸,鋼材成本為 500 美元/噸,那麼每座塔將需要 10 萬美元的原鋼。如果非鋼塔成本為每塔 40 萬美元,而每條線路需要 2,500 個塔,那麼每條線路的塔總成本為 1.25B 美元。如果其他成本為每條線路 $2.5B,那麼每條傳輸線的總成本將為 $4.2B,計算為 $0.21/Watt,這是合理的($4.2B / 19 GWe)。

全球超級網格

我們現在將運行一些數字來了解全球超級電網的成本。正如解決氣候變化問題需要知道的 10 件事中所述,世界每年消耗大約 56,000 TWh 的能源,如果使用 40% 的時間,這相當於 16,000 GWe,平均而言 ((56,000 * 1e12 / ( 24 小時 * 365 天)) / (1e9 * 40%))。如果在 19 GWe 的大型傳輸線中移動這種能量,則需要 830 條線路,例如 (16,000 GWe / 19 GWe)。如果在全球範圍內建設超過 20 年,每年將建設 41 條新線路(832 條線路/20 年);例如,美國為 7 年(28 億美元/年),中國為 10 年(42 億美元/年),歐洲為 6 年(24 億美元/年)。

下面顯示的是全球超級電網的計算,該電網通過 19 GWe 2000 公里的大型輸電線路轉移當今的能源消耗。要更清楚地看到這一點,請單擊圖片。如果您想插入自己的數字,請下載我們的電子表格並在工作表“計劃”中查看“全球超級網格”。

如果人們對遙遠的電力和大電網不滿意,那麼可以考慮成本降低的核電 ≤ 200km 距離消費者,如美國政府如何以 100B 美元解決氣候變化問題中所述。

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圖 6:成本

開發自動化塔組裝系統

為了降低傳輸成本,工程師可以探索在計算機控制下通過專用設備實現大型塔架的運輸和建造自動化。如果新機器在現場進行組裝,我們可以使塔更高、更寬、更復雜且成本更低。如果我們走得更高,我們可以在相同數量的土地上做更多的事情,並在更高的電壓下工作。

工程師可以查看支持傳輸 1、2、4、8、16、32、64 和 128 GWe 的模塊化塔式系統。更大的容量可能需要相鄰的多個塔。通常,8 GWe 被認為非常大;然而,世界脱碳需要更大的尺寸。例如,可以使用 53 條線路,每條線路 19 GWe 將 1000 GWe 的電力移出大沙漠(53 x 19,100% CP,太陽能加儲能)。

要了解輸電塔是如何組裝的,可以觀看以下視頻:(a) 通過起重機垂直組裝,(b) 水平組裝 90 度樞軸到垂直位置,(c)世界上最大的水道交叉塔,以及 (d)電纜安裝。

機器人在您睡覺時構建超級網格

一個合理的下一步是基金會或政府不為 10 個不同的團隊提供 200 萬美元的資金,在 2 年內為新一代塔開發粗略的設計和簡單的原型,並進行自動化組裝。

這是一個示例概念,讓人們瞭解團隊可能會做什麼:

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圖 7:超級網格

計算機控制下的推土機和壓路機為塔架組裝創造平坦的工作台面。

由計算機控制的專用機器通過工業機器人在陸地上水平組裝塔,並對多根電纜施加張力,使塔旋轉 90 度到垂直位置,如上圖所示。在樞轉過程中,多個扳機保持塔的形狀。

一種類似於平板卡車的補給車,帶有塔式組件,將自身定位在裝配車附近,並通過計算機進行協調。

帶有螺旋鑽的車輛(未顯示)在計算機控制下為塔架鑽孔。此外,它還為錨定錨鑽孔,將銷釘插入孔中,並用鏈銷釘以錨定。引腳顯示在上圖中的右下方。

可選地,夾具連接到塔架,以支撐更高和更大的塔架,電纜拉動夾具旋轉 90 度。

夾具和支點支點都比卡車長;因此,該系統旨在通過兩輛車輛在計算機控制下運輸完全組裝的設備,每端一輛。例如,如果塔每隔 1 公里間隔,並且一個安裝 1000 個塔,那麼長設備將被運輸大約 1000 次。

帶有機械臂的小型塔式機器人,如上圖所示,以類似於工人的方式穿越軌道,並幫助組裝和維護。塔軌與機器人機械連接。

如果世界要在輸電塔上花費數千億美元,那麼花費 2000 萬美元探索自動化組裝似乎是合理的。

開發下一代直流轉換電子設備

高壓直流輸電需要昂貴的轉換電子設備,而且這些設備的製造量相對較低。隨後,脱碳工程師可以探索購買 HVDC 轉換電子設備的設計(或從頭開始設計),建立大規模生產的工廠,免費提供所有技術商品化,並在全球範圍內降低價格。人們需要通過在製造時節省更多來證明商品化成本的合理性。除了沿路徑接入外,標準化設計還可以支持每一端的發射和接收功率。此外,它可能是模塊化的,以支持不同的電壓和電流

英飛凌#T2251N70晶閘管(7.5KV,2300Amp,$ 3000),如下圖所示,是在高電壓DC轉換中使用的部件的一個例子。在典型的 2 GWe 系統中,可能在傳輸線的每一端使用 4,000 個這樣的晶閘管組件,總晶閘管組件成本為 2400 萬美元(2 端 x 4K x 3000 美元)。工程師可以探索購買高壓晶閘管組件的設計,公開商品化,並由代工廠大量生產,以降低成本。

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圖 8:英飛凌設備

為了進一步降低成本,工程師可以探索在工廠中通過機器人組裝製造上圖中未顯示的大型變壓器和電容器。關鍵零部件是否實現量產、標準化、商品化;人們可能會看到適度的成本降低。

此外,工程師可以探索開發一種安裝在絕緣關節臂末端的電池供電機器人,能夠在全功率運行時接觸高壓(由於絕緣臂和尖端的自供電機器人)。這可以使用紅外光學相機檢查組件,以尋找過熱和其他問題,可能在故障之前。並且,它可以添加跳線以將電流從可疑組件轉移,並在全功率時更換組件。

移動大量電力時,停機時間代價高昂;因此,自動化檢查、維護和維修的成本可能是合理的。

傳輸挑戰

如果我們降低 HVDC 轉換電子設備和塔的成本,我們仍然需要應對多重挑戰:

土地、電纜、安裝和維護成本。

較長的電纜更容易出現故障。

綠色能源發電和輸電必須比靠近用户的碳選項成本更低。

內華達州的大部分電力來自天然氣,這告訴我們傳輸不是太陽能發電場的問題。我們需要讓這些在附近的沙漠社區在經濟上更可行,然後才能讓它們在遙遠的城市流行。

為了緩解挑戰,我們可以考慮:

政府通過法律,更容易要求電力線的通行權,以降低土地成本。

使用更高的電壓,因為它們可以以相同的土地、塔和電纜成本輸送更多的電力。目前+-800VDC和1000VAC被認為是可行的;然而,新一代的塔式和轉換電子設備可能有助於支持更高的電壓。

結論

超級電網將徹底背離我們當前的系統,後者通常依賴於距離消費者≤ 200 公里的能源。讓超級電網經濟地運行將是一個巨大的挑戰;然而,良好的第一步是開發新一代塔式高壓直流轉換系統。這兩個組件和電纜構成了整個系統。

政府經常尋找提案進行審查,然後決定是或否。然而,人們可能需要先在工程上花費數百萬美元,然後才能產生高質量的提案。初始工程包括探索多種選擇、粗略設計、評估可行性、構建簡單原型和建模成本。不幸的是,政府通常在投入項目之前花這種錢很慢,這是一個代價高昂的錯誤。

或者,一組負責解決整個氣候變化問題的工程師會對此有不同看法。他們會認為傳輸是脱碳的重要組成部分;他們會理解工程需要時間;他們會讓工程師探索新一代的塔和轉換電子設備,以及其他降低成本的措施。

編輯:hfy

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發表於 2021-09-17 07:33 0次閲讀
abb機器人電源模塊短路板短路故障處理

KUKA機器人伺服驅動模塊維修

KUKA庫卡C4機器人驅動器故障報警維修庫卡機器人維修內容包括庫卡機器人示教器維修,KUKA伺服驅動模塊維修,庫...
發表於 2021-09-17 07:09 0次閲讀
KUKA機器人伺服驅動模塊維修

ABB機器人驅動模塊温度警告及保養方案簡介

ABB機器人驅動模塊温度警告及保養方案簡介ABB機器人驅動器3HAB8101-3維修電阻值在10~50Ω,及腐蝕性物質, (2...
發表於 2021-09-17 06:23 0次閲讀
ABB機器人驅動模塊温度警告及保養方案簡介

智能電力巡檢機器人在變電站的應用

隨着社會經濟的發展,變電站的巡檢工作越來越繁重,通常變電站地處偏遠,地理條件惡劣。從規範角度,對於大....
發表於 2021-09-16 17:17 58次閲讀
智能電力巡檢機器人在變電站的應用

創客火無人機助力2021世界機器人大賽順利舉行

9月13日,2021世界機器人大會閉幕式在北京亦創國際會展中心成功舉辦,為期4天的2021世界機器人....
發表於 2021-09-16 11:23 271次閲讀
創客火無人機助力2021世界機器人大賽順利舉行

淺析在技術革新驅動下的光電編碼器的升級

香港物流清關報道(文/李寧遠)在工業生產的數控機牀,機器人,或是航空航天,雷達等各種高精度、閉環調速....
發表於 2021-09-16 10:55 249次閲讀
淺析在技術革新驅動下的光電編碼器的升級

碼垛機器人推動生產自動化水平發展

隨着我國社會經濟發展加快,行業需求不斷擴大,產品包裝也從人工向機械自動、智能化方向轉型。人工碼垛由於....
發表於 2021-09-15 15:18 35次閲讀
碼垛機器人推動生產自動化水平發展

我國數控金屬切削機牀產業發展趨勢

金屬切削機牀是用切削、磨削或特種加工方法加工各種金屬工件,使之獲得所要求的幾何形狀、尺寸精度和表面質....
發表於 2021-09-15 15:17 47次閲讀
我國數控金屬切削機牀產業發展趨勢

薄膜缺陷檢測系統有什麼優勢

薄膜生產過程中,其表面易出現污點、蚊蟲、凹凸、孔洞、晶點、氣泡、雜質、活折、劃痕、破損、掛料線等常見....
發表於 2021-09-15 10:33 31次閲讀
薄膜缺陷檢測系統有什麼優勢

打造數字生態銀行,來也科技RPA財務機器人廣泛應...

隨着互聯網或金融科技企業的不斷髮展,給傳統銀行業帶來了巨大的調整,採用傳統經營和業務處理模式已經難以....
發表於 2021-09-15 09:40 228次閲讀
打造數字生態銀行,來也科技RPA財務機器人廣泛應...

低壓直流伺服電機在AGV機器人中的應用

  現在國內知名AGV機器人生產廠家,AGV機器人車輛採用單/雙差速驅動磁導航方案。針對此方案,我公....
發表於 2021-09-15 09:16 73次閲讀
低壓直流伺服電機在AGV機器人中的應用

Exxelia元件助力毅力號漫遊車

Exxelia是致力於製造應用於惡劣環境的複雜無源元件和子系統的領先公司,如今這家公司搭載毅力號(P....
發表於 2021-09-14 15:51 989次閲讀
Exxelia元件助力毅力號漫遊車

立柱機器人碼垛機在食品行業的應用

目前我國經濟仍然呈現良好增長趨勢,人們生活水平也在不斷提高,企業的用工成本也在提高,這就帶來了新的社....
發表於 2021-09-14 14:52 38次閲讀
立柱機器人碼垛機在食品行業的應用

意法半導體發佈8x8區測距飛行時間傳感器,賦能應...

意法半導體發佈通用多區測距FlightSense™ 飛行時間傳感器,為各種消費電子和工業產品帶來精密....
發表於 2021-09-13 14:10 3034次閲讀
意法半導體發佈8x8區測距飛行時間傳感器,賦能應...

2021世界機器人大會 金大智能展位科技成果實力...

9月10日上午,2021世界機器人大會在北京開幕。北京市委書記蔡奇,全國政協副主席、中國科協主席萬鋼....
發表於 2021-09-13 11:35 354次閲讀
2021世界機器人大會 金大智能展位科技成果實力...

2021世界機器人大會開幕 共享科技盛宴

9月10日,萬眾矚目的2021世界機器人大會(WRC)在北京亦創國際會展中心正式拉開帷幕!大會將持續....
發表於 2021-09-13 10:04 1363次閲讀
2021世界機器人大會開幕 共享科技盛宴

“閃電匣”首次亮相,普渡機器人閃耀2021世界機...

2021年9月10日到13日,2021世界機器人大會在北京亦創國際會展中心盛大開啓。作為機器人領域規....
發表於 2021-09-13 09:33 48次閲讀
“閃電匣”首次亮相,普渡機器人閃耀2021世界機...

偉大時代呼喚偉大自主創新-熱烈祝賀偉景人形智能機...

説到服務機器人讓您最先想到的是什麼?送餐機器人還是物流倉儲機器人?會跳舞的機器人或能編程的機器人? ....
發表於 2021-09-10 18:02 55次閲讀
偉大時代呼喚偉大自主創新-熱烈祝賀偉景人形智能機...

Xilinx Adapt 2021虛擬技術大會聚...

Xilinx Adapt 2021 包含公司高層主題演講,以及賽靈思合作伙伴和客户現身説法。同期還將....
發表於 2021-09-10 14:47 4059次閲讀
Xilinx Adapt 2021虛擬技術大會聚...