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长远来看,高温超导材料逐步代替铜或铝电缆将加快全球超级电网的部署,因为超导材料能够以接近零的能量损耗传输更多的电能。尽管超导材料需要冷却到液氮温度(低于77开尔文),但制冷产生的成本还不到传统的交流和直流架空输电线路电能损失的一半。此外与传统电缆相比,超导直流电缆的线路走廊更窄。目前,已经有好几个工程成功测试了短距离超导电缆传输,比如韩国济州岛上的500米、80kV直流线路工程。但是,与传统电缆相比,当前超导电缆的制造成本依然高很多。
另一个有前途的领域涉及了非硅材料的先进电力电子器件。硅具有资源丰富、成本低廉、加工简单、以及室温运行等特点,因此它成为了半导体器件的首选材料。但针对HVDC网络中功率切换要求,碳化硅、氮化镓等新型材料具有更好的前景。与传统硅相比,这些宽带隙半导体材料能够工作在更好的温度,支持更高的电流和电压,电阻也更小。如果,这些宽带隙半导体材料能够实现商业化,将能够在减少成本的同时,增强HVDC换流器的功能。
那么,我们应该从哪里开始建设全球超级电网?显然,在电网技术,尤其是HVDC的发展和部署已经处于世界领先地位的中国作为超级电网的建设起点,将是一个不错的选择。中国已经开始开发其北部非常丰富的太阳能和风能资源,以及南部丰富的水能资源。为了将约1300GW的电能传输到东部和南部的人口和工业中心,中国已经建设了全世界规模最大的HVAC和HVDC电网,并计划在未来五年建造13到20条特高压直流输电线路(UHVDC,800-1100kV)。这些项目的投资金额十分巨大:2014年中国对此类项目的投资额达到了650亿美元,预计未来五年的资金投入规模会继续维持在这一高位。国际能源署(IEA)估计,到2040年中国需要花费超过4万亿美元彻底改变电力传输和配送的方式。中国电力科学研究院的负责可再生能源和智能电网技术的副院长姚良忠说,他的团队正在研究连接中国、欧洲、中东和北非的洲际输电网的可行性。
欧洲是另一个全球电网建设可能的起点。自2008年以来,欧洲委员会(EuropeanCommission)一直在呼吁建设泛欧洲超级电网计划。该计划由代表34个欧洲国家的41个电网运营商的欧洲电力传输系统运营商(EuropeanNetworkofTransmissionSystemOperatorsforElectricity,ENTSO-E)牵头。
泛欧洲超级电网计划是建设一个连接欧洲国家与包括哈萨克斯坦、北非和土耳其在内的周边地区的HVDC网络。德国卡塞尔大学的GregorCzish研究发现,基于泛欧洲超级电网,欧洲大部分的能源需求可以由风力发电提供,只需部署少量的生物质发电作为补充。一个名叫超级电网联盟(FriendsoftheSupergrid)的工业团体也一直在呼吁推动实现这一雄心勃勃的计划所需要的技术、监管和融资业务。
SiemensFrenchConnection:最近竣工的法国与西班牙之间的HVDC互联线路使得两国之间的电能传输容量达到了原来的两倍,线路两端都有图中所示的换流站,将高压的交流电转为直流电,也可以将直流转为交流电。
到目前为止,欧洲许多关键的HVDC线路的互联已经基本完成或者已经达到计划中较晚期的阶段,包括能源丰富的德国北部和能源匮乏的德国南部电网的连接(该项目金额达100亿欧元),还有两个连接德国和挪威、挪威和丹麦的HVDC线路,以及新近竣工的法国和西班牙的互联线路。
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