211service.com
Edison's Revenge: The Rise of DC Power
År 1903, som ett sista försök att upprätthålla likström som standard för distribution av elektricitet runt om i USA, ledde Thomas Edison en ökända händelse som delvis var avsedd att demonstrera faran med växelström: elstöten av Topsy, en cirkuselefant anses vara ett hot mot människor genom en 6 600-volts AC-laddning. Edisons stunt var rent rädsla (DC är lika farligt vid hög spänning), och det misslyckades: vårt nät idag är främst AC.
Men ett drygt sekel efter Topsys kollaps är det AC som ser allt vingligare ut. Tack vare den växande strömförbrukningen för digitala enheter av alla slag gör DC-ström en comeback, den här gången på egna meriter.
Allt som använder transistorer är beroende av likström, flödet av elektricitet i en riktning. Det förklarar varför PC, iPhone och platt-TV alla har omvandlarboxar för att omvandla växelströmmen i vägguttag (som vänder riktning 120 gånger i sekunden) till likström.
Sådana digitala konsumentenheter står för upp till en femtedel av den totala strömförbrukningen idag, enligt Greg Reed, chef för Power & Energy Initiative vid University of Pittsburgh. Reed säger att den branta tillväxtkurvan för likström beror inte bara på datorer utan också på spridningen av enheter som lysdioder och solpaneler.
Inom de närmaste 20 åren kan vi definitivt se så mycket som 50 procent av våra totala belastningar utgöras av DC-förbrukning, säger han. Det accelererar ännu mer än vi hade förväntat oss.
Med det växande antalet enheter som genererar och använder likström, säger Reed, kommer en stor möjlighet att spara energi. Genom att distribuera likström till likströmsenheter istället för att konvertera den till växelström längs vägen, är det möjligt att undvika betydande energiförluster som uppstår varje gång elektricitet omvandlas.
Vissa elektroniktunga anläggningar utvecklar nu helt DC-mikronät för att mata ström till användarna. Tänk på planerna för ett DC-mikronät vid Kinas Xiamen University, som tillkännagavs i mars. Ett fristående elnät kommer att sträcka sig över tre campusbyggnader, som kopplar samman en solpanel på 150 kilowatt på taket till LED-belysningssystem och banker av datorservrar.
Spridningen av elfordon kan göra DC ännu viktigare: elbilar laddas med likström och kräver avsevärda mängder ström. Dragan Maksimovic, expert på kraftelektronik vid University of Colorado i Boulder, uppskattar att solcellsdrivna fordonsladdare som hans grupp håller på att utveckla borde minska strömförlusterna från 10 procent av vad panelerna producerar till bara 2 procent. Maksimovic samarbetar med Satcon, en tillverkare av kraftomvandlare, och har finansiering från Hawaii Renewable Energy Development Venture; teamet planerar att installera solcellsladdare i vår på en resort på den hawaiianska ön Lanai.
En annan drivkraft för DC är de datacenter som driver Internet och telekommunikationsnätverk. Stora datorgårdar förbrukar nu mer än 1,3 procent av elen världen över, och den siffran ökar snabbt. Den inkommande strömmen är AC och måste konverteras. Istället för att ha strömomvandlare på varje dator installerar vissa företag stora centraliserade omvandlare och distribuerar 380-volts likström över sina serverfarmar. Den japanska telekomjätten NTT har fyra datacenter i Tokyoregionen som arbetar på DC; förra året färdigställde det ett DC-baserat servercenter i Atsugi City, sydväst om Tokyo, som är dess första att betjäna externa kunder.
Energibesparingar uppnås till stor del genom att ersätta AC-till-DC-omvandlarna som är anslutna till enskilda servrar med mer effektiva centraliserade växelriktare. Genom att göra den switchen och eliminera AC-DC-omvandlare på batteribackupsystem minskade strömförbrukningen med 15 procent jämfört med konventionella AC-konfigurationer, enligt Keiichi Hirose, senior forskningsingenjör vid NTT Facilities i Tokyo. Intel har värderat årliga energibesparingar för ett medelstort datacenter i USA till 1,2 miljoner dollar, och värdet borde vara betydligt högre i Japan och Europa, där energipriserna är högre.
Likströms-belysningskretsar som fångar upp. Emerge Alliance, ett konsortium baserat i San Ramon, Kalifornien, som förespråkar likströmsdistribution i kommersiella byggnader, har etablerat en standard för 24-volts likströmstakkretsar och säger att LED-taklampor på likströmsledningar använder upp till 15 procent mindre energi än att göra AC-till-DC-omkopplaren inuti armaturerna. Emerge arbetar nu med att föra likström till anställdas stationära datorer, så att de kan koppla in datorer eller telefoner utan behov av varmkörande omvandlarboxar.
Kommer DC-upproret att sprida sig utanför byggnader för att ta över de större linjerna som matar stadsdelar, städer och bortom, som Edison en gång hoppades? Många maktexperter är skeptiska. Växelström är standarden för att överföra elektricitet runt nätet, och många enheter, såsom elmotorer, lämpar sig för växelström. Jag tror inte att det kommer att bli en grossistomvandling av kraftsystemet till DC, säger UC Boulders Maksimovic.
Men andra, som Reed, ser ett DC-övertagande som oundvikligt. Han noterar att transmissionsledningar i allt högre grad använder likström, eftersom högspänningsledningar (HVDC) är lättare att kontrollera och har lägre förluster än växelströmsledningar. Långdistanslinjer är ofta nyckeln till att utnyttja förnybara resurser som ligger långt från kraftbehövande städer, som vind- och solenergi.
Att expandera likströmsdistributionen på topp- och bottennivåerna i den elektriska näringskedjan skapar en möjlighet att sluta gapet med regional distribution även i likström, precis som Edison en gång föreställde sig. Reed noterar att omvandling av högspänningsväxelström till 120 volt för bostadsbruk leder till förluster runt 5 procent högre än med motsvarande DC-system. Om du har HVDC i ena änden och DC-förbrukning i den andra, blir det en möjliggörare för mellanspännings-DC mellan dem, säger han.
Med sådana besparingar förutspår Reed att den första direkta leveransen av likström från högspänningsledningen till slutanvändaren kanske inte är så långt borta, särskilt i snabbt växande ekonomier som bygger ny kraftinfrastruktur. Jag tror att vi är inom 10 år efter det här, säger han, och inom tre till fem år i Kina.