有利于太陽能發(fā)電場和風(fēng)力發(fā)電場的區(qū)域通常距離大城市 500 至 2000 公里。此外，太陽能和風(fēng)能是“間歇性的”，這意味著它們會隨時間變化，并且以無法控制的方式發(fā)生變化。出于這兩個原因，我們希望能夠以低成本傳輸大量電力、長距離傳輸。

超級網(wǎng)格

理論上，一個新的輸電網(wǎng)絡(luò)可以將許多遙遠(yuǎn)的太陽能發(fā)電場、風(fēng)力發(fā)電場、水電大壩、核電站和人口稠密地區(qū)連接在一起。如果一個地區(qū)沒有風(fēng)或晴天，那么另一個產(chǎn)能過剩的地區(qū)可能會提供幫助。這通常被稱為“超級網(wǎng)格”，并且已經(jīng)編寫了多個提案。例如，美國的一項提案將風(fēng)能從該國的中心向外轉(zhuǎn)移。歐洲的一項提案從北非轉(zhuǎn)移太陽能，從大西洋轉(zhuǎn)移風(fēng)力，如下左圖所示。

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

超級電網(wǎng)挑戰(zhàn)

超級網(wǎng)格涉及多重挑戰(zhàn)：

大陸大小的天氣模式偶爾會導(dǎo)致許多太陽能發(fā)電場和許多風(fēng)電場的電力減少。一種補(bǔ)救措施是在太陽能和風(fēng)能充足的情況下填補(bǔ)閑置的發(fā)電量；然而，維護(hù)它的成本很高。另一個補(bǔ)救措施是嚴(yán)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?nèi)匀恍枰G色源加傳輸，成本低于接近消費者的碳選項；否則，社區(qū)將繼續(xù)燃燒附近的廉價煤炭和天然氣。

上述挑戰(zhàn)令人生畏；然而，隨著成本的顯著降低，工程師們或許能夠讓超級電網(wǎng)發(fā)揮作用。

100 年來，輸電一直承受著降低成本的壓力。因此，脫碳工程師能否進(jìn)一步降低電力行業(yè)已經(jīng)在做的事情之外的傳輸成本似乎值得懷疑；除非關(guān)鍵部件因產(chǎn)量小而未批量生產(chǎn)，或因太復(fù)雜而未開發(fā)專用設(shè)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(yōu)點和缺點。AC 更輕松地支持沿線的多個低成本分接頭；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都裝有轉(zhuǎn)換電子設(shè)備的直流線路上運(yùn)行 2000 公里；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。如果你想讓直流超越交流，你需要降低轉(zhuǎn)換電子的成本，并開發(fā)低成本的抽頭，如下圖所示。

圖 4：成本

移動異常大量的電力

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，而每束中電纜之間的電壓為約 0 伏特。

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又高又強(qiáng)，又大又重。

例如，如果將 8 根 5 厘米（2 英寸）直徑的 1500 安培鋁質(zhì)電纜放入一束中，兩束之間的電壓為 1，600kVDC （±800kVDC），則可以在 2000 公里的距離內(nèi)移動 19.2 GWe，例如功率損耗為 5.2%。如果塔每 0.8 公里間隔，則每個塔將通過電纜支撐 70 公噸的重量，電纜的原鋁總成本將是 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，那么每座塔將需要 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，那么每條線路的塔總成本將為 1.25B 美元。如果其他成本為每條線路 $2.5B，那么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(wǎng)格

我們現(xiàn)在將運(yùn)行一些數(shù)字來了解全球超級電網(wǎng)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(dāng)于 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）。如果在全球范圍內(nèi)建設(shè)超過20年，每年將建設(shè)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(wǎng)的計算，該電網(wǎng)通過 19 GWe 2000 公里的大型輸電線路轉(zhuǎn)移當(dāng)今的能源消耗。要更清楚地看到這一點，請單擊圖片。

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

圖 6：成本

開發(fā)自動化塔組裝系統(tǒng)

為了降低傳輸成本，工程師可以探索在計算機(jī)控制下通過專用設(shè)備實現(xiàn)大型塔架的運(yùn)輸和建造自動化。如果新機(jī)器在現(xiàn)場進(jìn)行組裝，我們可以使塔更高、更寬、更復(fù)雜且成本更低。如果我們爬得更高，我們可以在相同數(shù)量的土地上做更多的事情，并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(tǒng)。更大的容量可能需要相鄰的多個塔。通常，8 GWe 被認(rèn)為非常大；然而，世界脫碳需要更大的尺寸。例如，可以使用 53 條每條 19 GWe 的線路將 1000 GWe 的電力從大沙漠（53 x 19，100% CP，太陽能加存儲）中移出。

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(jī)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(jī)器人在您睡覺時構(gòu)建超級網(wǎng)格

一個合理的下一步是基金會或政府不以 200 萬美元資助 10 個不同的團(tuán)隊，每個團(tuán)隊在 2 年內(nèi)為新一代塔開發(fā)粗略的設(shè)計和簡單的原型，并進(jìn)行自動化組裝。

在計算機(jī)控制下的推土機(jī)和壓路機(jī)為塔架組裝創(chuàng)造了平坦的工作臺面。

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

一種類似于平板卡車的補(bǔ)給車，帶有塔式組件，將自身定位在裝配車附近，并通過計算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

帶有螺旋鉆的車輛（未顯示）在計算機(jī)控制下為塔架鉆孔。此外，它還為錨定錨鉆孔，將銷插入孔中，并用鏈銷連接錨定。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(zhuǎn) 90 度。

夾具和支點支點都比卡車長；因此，該系統(tǒng)旨在通過兩輛車輛在計算機(jī)控制下運(yùn)輸完全組裝的設(shè)備，每端一輛。例如，如果塔每隔 1 公里間隔，并且一個安裝 1000 個塔，那么長設(shè)備將被運(yùn)輸大約 1000 次。

帶有機(jī)械臂的小型塔式機(jī)器人，如上圖所示，以類似于工人的方式穿越軌道，并幫助組裝和維護(hù)。塔軌與機(jī)器人機(jī)械連接。

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

開發(fā)下一代直流轉(zhuǎn)換電子設(shè)備

高壓直流輸電需要昂貴的轉(zhuǎn)換電子設(shè)備，而且這些設(shè)備的制造量相對較小。隨后，脫碳工程師可以探索購買 HVDC 轉(zhuǎn)換電子設(shè)備的設(shè)計（或從頭開始設(shè)計），建立大規(guī)模生產(chǎn)的工廠，免費提供所有技術(shù)商品化，并在全球范圍內(nèi)降低價格。人們需要通過在制造時節(jié)省更多來證明商品化成本的合理性。除了沿路徑接入外，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計還可以支持每一端的發(fā)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。

的英飛凌＃T2251N70晶閘管（7.5KV，2300Amp，$ 3000），是在高電壓DC轉(zhuǎn)換中使用的部件的一個例子。在典型的 2 GWe 系統(tǒng)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(shè)計，公開商品化，并由代工廠大量生產(chǎn)，以降低成本。

為了進(jìn)一步降低成本，工程師可以探索在工廠中通過機(jī)器人組裝制造上圖中未顯示的大型變壓器和電容器。關(guān)鍵零部件是否實現(xiàn)量產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)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(fā)一種安裝在絕緣關(guān)節(jié)臂末端的電池供電機(jī)器人，能夠在全功率運(yùn)行時接觸高壓（由于絕緣臂和尖端的自供電機(jī)器人）。這可以使用紅外和光學(xué)相機(jī)檢查組件，以尋找過熱和其他問題，可能在故障之前。而且，它可以添加跳線以將電流從可疑組件轉(zhuǎn)移，并在全功率時更換組件。

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

傳輸挑戰(zhàn)

如果我們降低 HVDC 轉(zhuǎn)換電子設(shè)備和塔的成本，我們?nèi)匀恍枰獞?yīng)對多重挑戰(zhàn)：

土地、電纜、安裝和維護(hù)成本。

較長的電纜更容易出現(xiàn)故障。

綠色能源發(fā)電和輸電必須比靠近用戶的碳選項成本更低。

內(nèi)華達(dá)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(fā)電場的問題。我們需要讓這些在附近的沙漠社區(qū)在經(jīng)濟(jì)上更可行，然后才能讓它們在遙遠(yuǎn)的城市流行起來。

為了緩解挑戰(zhàn)，我們可以考慮：

政府通過法律，更容易要求電力線的通行權(quán)，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(rèn)為是可行的；然而，新一代的塔式和轉(zhuǎn)換電子設(shè)備可能有助于支持更高的電壓。

結(jié)論

超級電網(wǎng)將徹底背離我們當(dāng)前的系統(tǒng)，后者通常依賴于距離消費者≤ 200 公里的能源。讓超級電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行將是一個巨大的挑戰(zhàn)；然而，良好的第一步是開發(fā)新一代塔式高壓直流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這兩個組件和電纜構(gòu)成了整個系統(tǒng)。

政府經(jīng)常尋找提案進(jìn)行審查，然后決定是或否。然而，人們可能需要先在工程上花費數(shù)百萬美元，然后才能產(chǎn)生高質(zhì)量的提案。初始工程包括探索多種選擇、進(jìn)行粗略設(shè)計、評估可行性、構(gòu)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(fù)責(zé)解決整個氣候變化問題的工程師會對此有不同的看法。他們會認(rèn)為傳輸是脫碳的重要組成部分；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(zhuǎn)換電子設(shè)備，以及其他降低成本的措施。

審核編輯：郭婷