211service.com
Zemsta Edisona: Wzrost mocy prądu stałego
W 1903 roku, w ramach ostatniej próby utrzymania prądu stałego jako standardu dystrybucji elektryczności w Stanach Zjednoczonych, Thomas Edison przewodniczył głośnemu wydarzeniu, którego celem było po części zademonstrowanie niebezpieczeństwa prądu zmiennego: porażenie prądem Topsy, słonia cyrkowego. uznany za zagrożenie dla ludzi przez ładunek prądu przemiennego o napięciu 6600 woltów. Wyczyn Edisona był czystym sianiem strachu (prąd stały jest równie niebezpieczne przy wysokim napięciu) i nie powiódł się: nasza dzisiejsza sieć to głównie prąd przemienny.
Ale nieco ponad sto lat po upadku Topsy, to AC wygląda coraz bardziej chwiejnie. Dzięki rosnącemu poborowi prądu przez wszelkiego rodzaju urządzenia cyfrowe, prąd stały powraca, tym razem już sam w sobie.
Wszystko, co wykorzystuje tranzystory, opiera się na prądzie stałym, przepływie energii elektrycznej w jednym kierunku. To wyjaśnia, dlaczego komputery PC, iPhone'y i telewizory z płaskim ekranem mają konwertery, które zamieniają prąd zmienny w gniazdkach ściennych (który zmienia kierunek 120 razy na sekundę) na prąd stały.
Według Grega Reeda, dyrektora Power & Energy Initiative na Uniwersytecie w Pittsburghu, takie cyfrowe urządzenia konsumenckie stanowią do jednej piątej całkowitego zużycia energii. Reed twierdzi, że stroma krzywa wzrostu mocy prądu stałego wynika nie tylko z komputerów, ale także z rozpowszechnienia się urządzeń takich jak diody LED i panele słoneczne.
W ciągu następnych 20 lat z pewnością zobaczymy, że aż 50% naszego całkowitego obciążenia będzie stanowić zużycie prądu stałego, mówi. Przyspiesza jeszcze bardziej, niż się spodziewaliśmy.
Wraz z rosnącą liczbą urządzeń generujących i wykorzystujących prąd stały, mówi Reed, pojawia się duża szansa na oszczędność energii. Poprzez dystrybucję prądu stałego do urządzeń prądu stałego zamiast przekształcania go w prąd przemienny po drodze, można uniknąć znacznych strat energii, które występują za każdym razem, gdy energia elektryczna jest przekształcana.
Niektóre zakłady z dużą ilością elektroniki opracowują obecnie mikrosieci zasilane wyłącznie prądem stałym, aby zasilać użytkowników. Rozważ plany dotyczące mikrosieci DC na chińskim uniwersytecie Xiamen, ogłoszone w marcu. Niezależna sieć elektryczna obejmie trzy budynki kampusu, łącząc 150-kilowatową tablicę słoneczną na dachu z systemami oświetlenia LED i bankami serwerów komputerowych.
Rozprzestrzenianie się pojazdów elektrycznych może sprawić, że prąd stały będzie jeszcze ważniejszy: samochody elektryczne ładują się prądem stałym i wymagają znacznych ilości energii. Dragan Maksimovic, ekspert w dziedzinie energoelektroniki z University of Colorado w Boulder, szacuje, że ładowarki do pojazdów zasilane energią słoneczną opracowywane przez jego grupę powinny zmniejszyć straty energii z 10 procent tego, co wytwarzają panele, do zaledwie 2 procent. Maksimovic współpracuje z Satcon, producentem konwerterów mocy, i ma finansowanie z Hawaii Renewable Energy Development Venture; Zespół planuje zainstalować ładowarki słoneczne tej wiosny w kurorcie na hawajskiej wyspie Lanai.
Innym motorem napędowym DC są centra danych, które obsługują sieci internetowe i telekomunikacyjne. Duże farmy komputerowe zużywają obecnie ponad 1,3 procent energii elektrycznej na całym świecie, a liczba ta szybko rośnie. Moc przychodząca to prąd przemienny i musi zostać przekonwertowana. Zamiast instalować konwertery mocy na każdym komputerze, niektóre firmy instalują duże scentralizowane konwertery i rozprowadzają prąd stały o napięciu 380 V w swoich farmach serwerów. Japoński gigant telekomunikacyjny NTT ma cztery centra danych w regionie Tokio działające na DC; w zeszłym roku ukończyła centrum serwerowe oparte na DC w Atsugi City, na południowy zachód od Tokio, które jest pierwszym, które obsługuje klientów zewnętrznych.
Oszczędność energii uzyskuje się w dużej mierze dzięki zastąpieniu konwerterów AC-DC podłączonych do poszczególnych serwerów bardziej wydajnymi scentralizowanymi inwerterami. Według Keiichi Hirose, starszego inżyniera ds. badań w NTT Facilities w Tokio wprowadzenie tego przełącznika i wyeliminowanie konwerterów AC-DC w systemach podtrzymania bateryjnego zmniejszyło zużycie energii o 15% w porównaniu z konwencjonalnymi konfiguracjami AC. Intel wycenił roczne oszczędności energii w średniej wielkości centrum danych w USA na 1,2 miliona dolarów, a wartość ta powinna być znacznie wyższa w Japonii i Europie, gdzie ceny energii są wyższe.
Chwytające są również obwody oświetleniowe prądu stałego. Emerge Alliance, konsorcjum z siedzibą w San Ramon w Kalifornii, które opowiada się za dystrybucją prądu stałego w budynkach komercyjnych, ustanowiło standard dla obwodów sufitowych 24 V DC i twierdzi, że oświetlenie sufitowe LED na liniach prądu stałego zużywa do 15 procent mniej energii niż robienie przełącznika AC-do-DC wewnątrz urządzeń. Firma Emerge pracuje teraz nad doprowadzeniem prądu stałego do komputerów pracowników, umożliwiając im podłączanie komputerów lub telefonów bez potrzeby stosowania aktywnych skrzynek konwerterów.
Czy bunt w Waszyngtonie rozprzestrzeni się poza budynki, aby przejąć większe linie, które zasilają dzielnice, miasta i nie tylko, jak kiedyś miał nadzieję Edison? Wielu ekspertów od energii jest sceptycznych. Prąd przemienny jest standardem przesyłania energii elektrycznej w sieci, a wiele urządzeń, takich jak silniki elektryczne, nadaje się do zasilania prądem przemiennym. Nie sądzę, że będzie hurtowa transformacja systemu zasilania w prąd stały, mówi Maksimovic z UC Boulder.
Ale inni, tacy jak Reed, uważają przejęcie DC za nieuniknione. Zauważa, że linie przesyłowe coraz częściej wykorzystują prąd stały, ponieważ linie wysokiego napięcia DC (HVDC) są łatwiejsze do kontrolowania i mają mniejsze straty niż linie AC. Linie dalekobieżne są często kluczem do wykorzystania odnawialnych źródeł energii zlokalizowanych z dala od miast potrzebujących energii, takich jak energia wiatrowa i słoneczna.
Rozszerzenie dystrybucji prądu stałego na górnym i dolnym poziomie elektrycznego łańcucha pokarmowego stwarza okazję do wypełnienia luki w dystrybucji regionalnej również w prądzie stałym, tak jak kiedyś wyobrażał sobie Edison. Reed zauważa, że zamiana wysokiego napięcia prądu przemiennego na 120 woltów do użytku domowego prowadzi do strat o około 5 procent wyższych niż w przypadku równoważnych systemów prądu stałego. Jeśli masz HVDC na jednym końcu, a zużycie prądu stałego na drugim, to staje się to przeszkodą dla średniego napięcia DC między nimi, mówi.
Przy takich oszczędnościach Reed przewiduje, że pierwsze bezpośrednie dostarczenie prądu stałego z linii wysokiego napięcia do użytkownika końcowego może nie być tak odległe, zwłaszcza w szybko rozwijających się gospodarkach, które budują nową infrastrukturę energetyczną. Myślę, że jesteśmy w ciągu 10 lat od tego tutaj, mówi, i w ciągu trzech do pięciu lat w Chinach.