中國儲能網訊：隨著新能源的發(fā)展和高科技興起，沉默了一百余年的直流電，可能重新奪回曾經失去的統(tǒng)治地位。這場被稱為“直流電復仇”的革命，將如何演繹？又會撬動多大的市場？
隨著具有間歇性和波動性的可再生能源越來越多地接入電網，電網的安全性面臨的挑戰(zhàn)愈發(fā)突出，而這一挑戰(zhàn)源自于——交流電——這種輸電方式的弊端。
一百多年前，當托馬斯?愛迪生發(fā)明電燈之后，直流電便是當時最主要的傳輸方式。然而，隨著技術的改進和用電側的需求增加，直流電最終敗給了當時一種新型輸電方式——交流電，后者在隨后的一百多年間幾乎完全統(tǒng)治了電力傳輸市場。
1903年，愛迪生為了能夠保住直流電作為全美配電標準的地位，甚至導演了一場電刑事件，即使用6600伏交流電，對一頭被認為威脅人類的馬戲團大象實施電刑處死，以此散步恐慌來證明交流電的危險性。
但愛迪生以失敗告終，曾經風靡一時的愛迪生通用電氣公司也被迫去掉了愛迪生的名字，改名為通用電氣公司。從此，交流電開始了長達百年的統(tǒng)治。
頗具諷刺意味的是，盡管愛迪生輸了那場戰(zhàn)爭，但隨著新能源和高科技的興起，在110年后的今天，直流電可能會東山再起。
“直流電并沒有被遺忘?！碧焱Ｗ?600550,股吧)副總經理劉東升坦言，直流電的需求正在上升，不僅僅是高壓直流輸電，接入新能源的輕型直流輸電也開始爆發(fā)出潛力。
前不久，匹茲堡大學“電力與能源計劃”負責人格雷格?里德（Greg Reed）的一席話更是引發(fā)了一場業(yè)界騷動。他直言：“在20年內，我們電力總負載的50%將是對直流電的消費，其發(fā)展速度之快甚至超出我們的想象?！?
而目前在全球范圍內，直流電的市場份額還不足20%。
里德教授并非預言家，他有自己的調研數據。任何使用晶體管的設備都要靠直流電，高科技的產品更驗證了這點。PC、iPhone和純平電視機等這類依靠直流輸電的數碼消費設備占到今天電力消耗總量的五分之一；管理互聯網和通信網絡的數據中心成為直流電的另一個驅動力，使用直流能夠比傳統(tǒng)的交流電配置節(jié)約15%的能耗；而新能源的興起——太陽能、微電網、電動汽車這些新能源的變革，無不充斥著直流電的影子，隨著各國新能源比重的增加，這個數據也在與日俱增。
嗅覺靈敏的企業(yè)們，提前預測到了直流電變革的到來。ABB每年都拿出數十億美元，投資于有關直流輸電的技術儲備。
2012年11月，ABB宣布在直流斷路研發(fā)領域取得突破性進展，這種技術可以將廣泛分布的太陽能電池板、風力渦輪機和其他可再生能源進行高效的傳輸，可以接入高壓直流輸電線路以形成柔性電網。
除此以外，在配電方面，ABB正在和通訊技術服務提供商green.ch公司共同設計并安裝一套先進的直流配電系統(tǒng)；與IO公司達成協(xié)議，提出合作開發(fā)采用直流電的新型數據中心模塊，推進全球第一個采用直流電的數據中心模塊的研發(fā)；2011年5月，ABB還獲得了Validus直流系統(tǒng)公司的控股權。
不僅僅是國際公司，國內企業(yè)也開始蠢蠢欲動?！拔覀冋跀U充秦皇島廠的高壓直流設備產能，同時也在儲備輕型直流輸電技術?！眲|升說。
特變電工(600089,股吧)也幾乎在做著與天威保變同樣的工作，特變電工沈變公司副總經理鐘俊濤表示，在高壓輸電占領足夠市場份額的同時，正在嘗試向國外出口一些輕型直流設備，也為國內日后的大發(fā)展做足儲備。
大企業(yè)做儲備，小企業(yè)的嗅覺也同樣靈敏。法克，這位年輕的創(chuàng)業(yè)家把旗下江蘇元中直流微電網有限公司定位為全國首家“全直流”微電網公司，如此的細分市場，用他的話說是源于對直流輸電前景的看好。
種種跡象顯示，沉默了一百余年的直流輸電，正在一步步走向臺前，甚至有人把這場剛剛開始的變革稱為“直流電的復仇”。
直流電回歸的新需求
不得不承認，直流電回歸，緣于新需求，而新需求來自三個方面，一是新能源，二是高科技，三是節(jié)能。
新能源的高速發(fā)展是近幾年的事情，中國起步稍晚，但是發(fā)展速度卻異常迅猛。比如全直流微電網，按照江蘇元中直流微電網有限公司董事長助理兼直流微電網副總經理顧怡的介紹，美國的EMERGE ALLIANCE聯盟較早就提出直流微電網的概念，并開始做相關項目，國內卻剛剛開始起步，但需求并不比國外少，一些專業(yè)的國際公司也開始進駐中國。廈門大學2012年3月已經發(fā)布了國內第一個全直流微電網項目，范圍覆蓋三所大學的建筑，將150千瓦的屋頂太陽能板陣列，直接連接至LED照明系統(tǒng)和計算機服務器機房。
再比如，被業(yè)界推崇的適合新能源接入的輕型直流輸電也開始成為各企業(yè)的必爭之地。“輕型直流輸電在國內的需求已經凸顯出來了，尤其是分布式光伏電站有需求?！眲|升坦言，天威保變已經把相關設備出口到了韓國，由于國內還未大規(guī)模啟動，所以還處于儲備的階段，一旦有市場會迅速投產。
國網能源研究院副總經濟師白建華也同意這個“新能源需求論”，他說：“現在的一些島嶼和海上風電場已經在應用輕型直流輸電模式，而隨著新能源的規(guī)模不斷翻倍增長，這種輸電模式會形成一種新的需求。”的確，即使遠離城市中心的山區(qū)水電站、海上風電場，或一些地方屋頂太陽能電池板也越來越多地利用可再生能源來發(fā)電，這些正是“新能源需求論”的基礎。
電動汽車是近幾年業(yè)界關注的焦點，電動汽車充電站也一度成為眾多企業(yè)爭搶的市場，當業(yè)界糾結于它被看好的經濟性時，卻沒有關注到它恰恰可以使直流電變得更加重要?？屏_拉多大學波德分校的能源電子專家德拉甘?馬克西莫維奇（Dragan Maksimovic）提到，他的團隊正在開發(fā)的太陽能汽車充電器，能將電池板的能量損失從10%降低至2%。這并非只是一個簡單的數據，而是對直流電所產生的經濟性的最好詮釋。
蓄電池是依靠直流電運行的另一項技術，目前，我們周圍蓄電池的使用越來越多，可再生能源發(fā)的多余電力就可以儲存起來。
除了這些小功率的直流輸電，對于那些大型的水電項目還需要另一種長距離大功率的直流輸電模式，即正負800的直流特高壓傳輸。2012年12月，錦屏到蘇南的直流特高壓線路開通，每天1億千瓦時的清潔水電從四川源源送抵2059公里外的蘇州吳江，這已經是繼云廣、向上之后的第三條正式送電的直流特高壓輸電線路。
直流特高壓的拉動最明顯不過了。“現在已經建成的這幾條只是小份額，根據規(guī)劃，還有20條直流線路待建設，這是多大的市場？從需求講，后期要投運的量比已經建設的要多得多?！眲|升說。
對于特高壓直流的需求，白建華認為，從能源基地出來的大量電力，除了三華周邊用些交流外，幾乎都要用直流，包括新疆、廣東，以及國外電力的傳輸也要用直流，這將是很大的需求。在歐洲，超級電網的話題已經討論多年，它可以將來自斯堪的那維亞堤壩水電站、德國風力發(fā)電場，以及西班牙甚至北非的大型太陽能發(fā)電場實現電力集中。美國也在規(guī)劃2030年的直流骨干網，包括美國電力科學院也提出很多直流電網方面的構想，而且啟動了直流電網的建設步伐，用直流電網把海上風電廠有機結合起來，再接入現有的電網。
“隨著可再生能源的比重不斷增加，將來直流電網的比重也會成正比例越來越大，最后就逐步演變成一個新興的電網模式。”中國科學院電工研究所所長肖立業(yè)推測道。
除了新能源的巨大拉動力，高科技發(fā)展對直流電的需求也不容小覷。比如，管理互聯網和通信網絡的數據中心就是個很好的例子。當前，大型計算機站消耗的電力占全球耗電量的1.3%，以后還會更多?，F在的模式是要把交流電進行轉換。為了節(jié)能，一些公司自發(fā)地安裝大型中央變壓器，向服務器站傳輸380伏的直流電，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的在每臺計算機上都裝上變壓器的模式。試想一下，如此麻煩的程序，能否直接建成一座直流數據中心？答案是可行的，日本電信巨頭NTT就在位于東京西南的厚木市建成了一座使用直流電的數據中心。
其實，現在越來越多的電子產品都在依靠直流電運行，例如電腦、手機以及LED燈等等。目前，這些電子產品和電器均使用自帶整流器，將交流電轉換為直流電。
那么，這些高科技企業(yè)為何要把交流電轉化為直流電？這就涉及到了另一大類的需求——節(jié)能。如果利用更大型的整流器在電力進入每座建筑物之前對其進行轉換，這將是一個更為高效的解決方案。ABB集團預計，在建筑樓宇中使用直流電而非交流電可節(jié)省成本約10%至20%。
英特爾估計，在美國的直流中型數據中心每年可以節(jié)約的電能價值達120萬美元。而東京的NTT公司也公開表示，直流電數據中心能夠比傳統(tǒng)的交流電配置節(jié)約15%的能耗。
為了更為直觀的表述，法克把交流和直流做了這樣的對比：“傳統(tǒng)的交流供電系統(tǒng)，從配電到用電設備需要經過三次的交流電和直流電的轉換，即使每次轉換效率都能達到90%，三次轉換后電能的利用率也只有73%。如果導入直流供電的供電系統(tǒng)，從配電到用電設備僅僅需要經過一次交流-直流的轉換，電能的利用率會達到90%以上?！?
隨著直流電的需求繼續(xù)升溫，一些新的標準也應用而生，在美國，一家位于加州桑雷蒙的“崛起聯盟”企業(yè)聯合體大力支持商用建筑中的直流輸電，該聯盟已經制定出了24伏天花板直流電路的標準，并且稱使用直流線路的LED頂燈，能比通過固定設備進行交流-直流轉換最多節(jié)能15%。
直流電“新技術反擊”
追溯歷史，不難發(fā)現，直流電和交流電的交替大戰(zhàn)更換看似人為，實則是新技術的不斷推動。電力發(fā)明之初，直流輸電就是權威的代表，后來由于不能直接給直流電升壓，三相交流發(fā)電機和變壓器被相繼發(fā)明，自然，交流輸電就開始逐步取代直流輸電。當前，直流輸電的反擊依然是依靠技術的更新。
“直流在一百多年前敗給交流就是由于當時的技術條件所限，一是遠程傳輸技術難點，二是當時半導體技術并未像目前一樣發(fā)展，三是直流的滅弧問題沒辦法解決。”法克說道。
其實，這種更替就類似于辯論，關鍵是要找準對方的死穴。交流電主導了上百年，問題自然也會暴露出來。比如，當前新能源的大批量接入，能源結構的調整，造成電力系統(tǒng)的規(guī)模迅速擴大，使得交流大電網的安全穩(wěn)定性問題日益突出。而這恰恰是直流輸電的優(yōu)勢。
劉東升認為，直流輸電技術革新應該從高壓直流和輕型直流兩部分同時進行，“水電基地和火電基地的大規(guī)模外送屬于特高壓直流輸電范疇，而剛剛興起的新能源短距離、小功率輸送則為輕型直流輸電，有不同的技術路徑”。
準確地說應該是，自直流特高壓的相關技術被攻克后，直流輸電才有了更大的空間?！霸靖叨水a品均由國外公司承攬，國內企業(yè)只做低端產品，后來，隨著國內這幾條直流線路的建成，國內企業(yè)也成熟起來，實現了自主研發(fā)?！卑凑談|升的介紹，這樣就降低了高端產品的生產成本，對于大規(guī)模的發(fā)展直流輸電奠定了技術基礎。
天威保變剛剛中標了哈密至鄭州的特高壓直流輸電項目，但中標的只是低端產品，在高端產品的投標中失敗了。連續(xù)中標三條正負800直流的高端產品后，這一次緣何沒了份額？“產能！”劉東升重重地拋出了兩個字。
當前，特高壓直流輸電中的高端產品只有ABB這些跨國公司和國內幾家技術領先的企業(yè)可以承接，天威保變就是其中之一，當合同越簽越多的時候，天威保變突然發(fā)現，生產線不夠了。剛交付的錦蘇直流輸電項目國網又提前了工期，天威保變沒有足夠的生產線造成了交付的延誤，“我們現在正在加速擴充設備、生產線和廠房，以快速補充產能”。
僅僅有了這些促進發(fā)展的新技術還不夠，直流電的反攻重點還在于交流電的弊端，即安全穩(wěn)定性，哪怕是一點點的進展都令業(yè)界振奮。ABB最新研制的直流斷路器可以在5毫秒內切斷相當于整個核電站輸出功率的巨大能量流動。該斷路器最突出的特點是可以用來幾乎瞬間改變功率在直流電網中的流動，以繞開出現的問題，從而允許電網保持運行?！叭绻魏蔚胤匠霈F問題，所有電力都要切斷，這款斷路器可以切除故障線路并保持其余部分正常運行?！盇BB首席技術官克萊斯?瑞圖夫（Claes Rytoft）說。
而這點恰恰是當初直流電失敗的關鍵技術之一，這種一百多年來一直困擾技術人員的設備可以接入高壓直流輸電線路以形成柔性電網?！跋乱徊骄褪抢弥绷骷夹g創(chuàng)建‘電網’，有效地平衡電力供需并確保其電力可靠性。”ABB集團對外傳播部負責人托馬斯?施密特表示。
而對于輕型直流輸電，鐘俊濤稱，特變電工在內的國內企業(yè)均在進行技術儲備。
ABB電力產品與系統(tǒng)（中國）區(qū)域銷售經理劉天泉說：“直流電數據模塊就是用于輕型直流輸電的關鍵技術之一。”IO公司是下一代模塊化數據中心技術和服務領域的領先供應商，正在開發(fā)采用直流電的新型數據中心模塊。在數據存儲迅速增長和全球網絡化發(fā)展趨勢的推動下，全球數據中心容量巨幅增長。
通常，數據中心每周7天24小時不間斷運行，每平方米單位面積的耗電水平比普通辦公室高15倍，能耗可高達普通辦公室的100倍?？梢?，數據中心需要大量電力。無疑，使用直流電技術可以減少電流轉換造成的損失，比傳統(tǒng)交流電技術的能效水平高10%-20%。使用直流電的系統(tǒng)更簡單，更節(jié)約空間，同時減少了設備以及安裝和維護成本。
除此之外，電力設備商們還在推出一種船載直流電網，設計用于配備了低壓電路的船舶，如海上支援船、拖船、渡輪和游艇。據ABB過程自動化部門負責人介紹說，“船載直流電網可以和輔助性能源如太陽能電池板、燃料電池等直接相連，船舶可以實現能源節(jié)約最大化。船載直流電網將有助于船舶從開始運營的第一天就以最高的燃料效率和低排放運營?！?
除了企業(yè)，科研機構也在探討輸電方式回歸直流輸電的可能性，自2009年初以來，肖立業(yè)帶領團隊對我國未來直流電網建設的合理性、網絡架構和廣域可再生能源資源互補利用模式及超導直流輸電技術等開展了研究，他們甚至從氣象局購買了大量的天氣數據來證明可再生能源本身具有很好的時空互補性，電網內的可再生能源作為一個整體，其間歇性和波動性大為降低，也將大幅度降低對電力儲能系統(tǒng)的需求，提高電網的效率和效益。
設備廠商加速新布局
隨著新能源興起引發(fā)的直流項目的增多，讓設備廠商不得不開始思考新布局。“我們的產能偏弱，特高壓直流、特高壓交流、三峽重點工程這些中標設備，都放在秦皇島廠來做，顧此就會失彼，這也是我們失掉哈密高端產品項目的主要原因?！眲|升說。
與天威保變的擴容不同，特變電工做得最多的還是儲備和出口，跟隨國網走出去的項目，特變電工已經分得了一杯羹。
而對于輕型直流輸電，電力設備商們還只是在做技術儲備，現在誰都不愿意錯過這個新時機，“應該說，從2011年開始我們才意識到輕型直流輸電一定是個大趨勢?！眲|升說道。
李勝斌以前是做管材銷售的，2012年年初轉行到濟南能華機電設備有限公司擔任華北片區(qū)的銷售工作，賣起了直流電源。生性憨厚的李勝斌說：“從我加盟的時候起，雖然直流的份額現在占比更多一些了，但企業(yè)也越來越多，再加上很多企業(yè)加大了直流的研發(fā)，反而使得直流電源行業(yè)的競爭更加激烈了，沒辦法，我們只能在售后上做足文章，別人保修兩年，我們就三年。”
像李勝斌所在濟南能華機電這樣的中小型公司確實很多，不像大公司那樣有雄厚的技術和資金支撐，定位為售后優(yōu)勢不失為一種人性化的戰(zhàn)略。同樣小眾的江蘇元中直流微電網有限公司就把自己定位為國內第一家做“全直流”微電網的企業(yè)。顧怡說：“僅2012年，我們直流微電網部門就申請了10項發(fā)明專利和9項實用新型專利，明年將會有更多知識產權方面的保護。我們希望以技術取勝?！?
而對于ABB這樣的跨國公司，網撒得則更大。ABB近期獲得了Validus直流系統(tǒng)公司的控股權，該公司是一家提供直流電基礎設施設備的領先供應商。這家公司恰恰給ABB順利進入直流配電領域加了把火。在《能源》雜志記者的采訪中，國內很多專家均表示，在配電領域引入直流電是不可思議的，“如果節(jié)約的20%電力是通過前期花費了高額安裝、改造成本作為代價的，寧可不去做，況且目前沒有新的技術可以支撐”。但ABB認為這是可行的，并決定把這個新技術的第一個市場放在已經決定停止核電廠并重點依靠可再生能源的德國。
除此之外，電器行業(yè)也在進行著轉型與升級。我國“十二五”規(guī)劃中，對家電業(yè)的節(jié)能環(huán)保提出了明確目標：主要家電產品能效水平平均提高10%，建立兼顧產品使用和產品制造的總能效指標體系。以空調為例，經過三年的變頻普及，變頻空調已經逐步替代定頻空調，成為市場主流。變頻技術的發(fā)展可以劃分為三大階段：交流變頻、直流變頻和全直流變頻。當然，只有全直流的節(jié)能效果是最佳的。2012年，美的空調啟動全直流升級戰(zhàn)略，無疑是一種可供借鑒的有效模式。
企業(yè)在布局，各個國家也在打著自己的小算盤。肖立業(yè)認為，未來的輸配電網和分布式電網將逐步向以直流為主的運行模式方向發(fā)展。目前，無論是歐洲的Super Smart Grid構想(2050年)還是美國Grid2030構想，均提出了以直流輸電網為骨干的網絡結構和輸電模式；美國電力科學院(EPRI)提出了Macro-Grid的概念，其基本設想也是利用直流環(huán)形電網以解決資源的綜合利用問題和提高供電的安全可靠性。
歐洲已經計劃，到2020年左右，將北海地區(qū)的海上風電場通過直流電網相連并網；美國規(guī)劃2020年左右將大西洋(600558,股吧)沿岸建設的海上風電場通過直流網絡向用戶提供清潔的能源供應；歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)已經就直流配電網的建設著手制定標準和建立示范工程。
肖立業(yè)提出，未來電網向直流運行模式的革命性轉變，將催生大量的科技創(chuàng)新機遇和一大批戰(zhàn)略性新興產業(yè)，因此需要從國家戰(zhàn)略高度予以重視。由于我國具有地域廣闊、可再生能源資源豐富、不同地區(qū)的主導能源資源各不相同、能源資源與負荷資源的時空分布不匹配等特點，因而要結合實際情況，發(fā)展與我國未來能源體系相適應的直流電網。
變革新難題
盡管直流電的變革即將來臨，但與其相關的難題也隨之而至。
比如，現有家電多采用交流設計，直流設計還未大規(guī)模推廣；直流高壓還無法做到直接入戶；直流能否實現互聯還是未知數；推廣輕型直流面臨一些體制限制等等。
顧怡說：“交流在人們日常生活中已經形成一種習慣，而改變習慣是很大的一個工程。而且由于直流沒有一個統(tǒng)一的標準（例如電壓等級），在國內暫時沒有3C認證，在某種程度上也限制了直流電器行業(yè)的發(fā)展?！?
而對于他所從事的直流微電網行業(yè)，顧怡也表示了擔憂。他提出，美國有一個EMERGE ALLIANCE聯盟，這個聯盟由各個行業(yè)的很多家企業(yè)組成，他盼望國內也建立類似的聯盟，來促進行業(yè)的發(fā)展。在龐大的電力系統(tǒng)面前，顧怡和他的全直流微電網團隊顯得微不足道，他希望通過一種組織把自己變得強大起來，但似乎一直苦于沒有找到出路。
全國工商聯新能源商會新能源動力與儲能委員會李雷也表示了同樣的擔憂，他說：“我們所用的家用電器都是交流電發(fā)出來的，各種電器必須和它配套，直流電還涉及到電量儲存的問題，現在的儲能還沒有非常成熟的技術。”
爭議最大的莫過于直流高壓能否直接入戶的問題。里德認為，要將高壓交流電轉換成120伏特的居民用電，造成的能量損失要比等效的直流電系統(tǒng)高出5%。如果在輸電端使用高壓直流電，在消費端也使用直流電，就能在兩端間實現中壓直流輸電了。有了這樣的節(jié)能方式，里德預測，從高壓電線直接到底端用戶的直流電傳輸的首次實現并不遙遠，尤其是在那些正在興建新電力基礎設施的發(fā)展中國家。里德甚至公開表示：“我認為美國在10年內，中國在3-5年內就能實現這一目標?！?
而國內的專家們卻沒有這么樂觀，薛禹勝，這位跟電力打了幾十年交道的中國工程院院士、國網電科院(300215,股吧)名譽院長認為，短期內中國很難實現直流直接到戶的目標，用直流電做配網還處在研究階段，即使將來實施也需要很長的時間。
劉東升也認為就目前國內企業(yè)掌握的技術而言，還傾向于把高壓直流轉化成交流再入戶，未來三五年實現直接入戶的目標很難，“除非有突破性的技術”。
對于直流輸電線路的互聯，白建華說可以曲線救國，但還是要借助交流，無法做到完全直流互聯，“現在，三華地區(qū)的直流規(guī)劃很多，直流多了就要把三華地區(qū)用交流連起來，有利于電壓穩(wěn)定，直流就好控制了”。
肖立業(yè)卻持有不同的觀點，他認為利用超導直流輸電可以搭建起一個跨區(qū)域的骨干電網，日本、美國、德國已經做了一些關于超導直流輸電方面的示范工作。中國未來的直流電網的構造模式，就是構建一個全國統(tǒng)一的、多層次的直流環(huán)形電網。這個環(huán)形電網上面，可以把不同的電源和負載都接到上面，通過環(huán)形電網進行有機的整合和控制。不同區(qū)域的環(huán)網可以有機的通過輸電線路連接起來。
輕型直流輸電是業(yè)界廣泛認同的一種模式，但是南瑞智源電氣技術有限公司的大客戶經理宋麗霞還是潑了一盆冷水：“我手頭現有的項目一個還沒有成型，不在于經濟也不在于技術，而是體制問題，必須國家出面才能協(xié)調，而新能源想發(fā)展，這又是不可逾越的難題?！?
任何一場變革，都不會是一帆風順的，一百年前的愛迪生為了保住直流電的地位也是想盡了辦法，如今的交流電也是一樣。只是，當今人們討論的重點不再是直流和交流孰是孰非了，而是如何能協(xié)同發(fā)展，或許，在這樣的一個大前提下，直流電的復興會少了一些莫須有的絆腳石。
