Energy Rumor Buster(九) —續(5)

電力是人類發明過最佳的二次能源,它可從多種方式獲得,不論是火電、核電、風電、水電、還是太陽光電,甚至使用馬達作為動力的裝置,都可以在減速時透過再生煞車系統獲取電能。電力不僅是獲取便利,就連使用上也極為多樣化,不管是產生機械能、位能、光能、熱(冷)能,幾乎只要是你想的到其他形式的能源,都可以由電能來得到。

電力看似萬能,但其實是萬萬不能,大自然並沒有自然存在的電能,所以電能基本上是即發即用。實際上,就算要儲存日常所需的龐大電能,也是極為不易,以目前來說也只有抽蓄電廠,才能儲存如此大的電能,而超導電磁鐵儲能裝置,至今仍未達到商業運轉的程度,至於Musk的鋰電想要成為儲電主力,根本就是不可能的事,各位可以參考這篇,這位張文杰先生說的內容大致正確,但美中不足的是,有關能與功率的敘述有點不太正確。

這篇就繼續讓我沒朋友,有電機或機械背景的朋友就請參考看看,以下還有扯蛋一些過去的俗事,一般人就別看了,如果裡頭所言有誤,也歡迎不吝指教!


 

再回溯一點前塵往事。前幾篇提到了過去求學時代,因為誤打誤撞念了電機這門科目,記得在高工求學期間,我每天坐火車通勤往返中壢-新竹,就在這個每天坐火車的時間,我就一點一滴研究鐵路電氣化設備,這當然也包括電氣火車在內,但就在我念二專時,才發現開設在五專課程裡的這本Thyrister DC Drives原文書

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當初讀這本書的時候,可以說是痛苦萬分,我的英文程度可以說是全校第一爛,為何如此說,因為專一全年級連我在內,英文只有3個人被當,但是把我當掉的林淑貞老師,是全校公認的好好老師,另2位的英文老師比林老師嚴格太多了,結果,不爭氣的我還是太混了,要不是林老師手下留情,我可能要把二專當三專在念。直到退伍後,為了要念懂英文的鐵路雜誌,我才又一點一滴地慢慢的把英文撿回來,即使如此,英文程度還是不怎麼樣,但是人就是這麼不珍惜,這點我真的要跟林老師深深的懺悔,後悔過去浪費的求學時光。

在唸高工時期,我並未對馬達有什麼特別的興趣,我求學時代;不管是高工還是專科的同學,除了我以外,沒人對馬達有興趣,後來就是因為Thyrister DC Drives這本書,我才算是真正開啟了『馬達』的世界,自此『動力』世界的研究歷程也就完整了,而如今馬達也早已成為『火車』動力的主要角色,就這樣我無形中厚實的諸多專業,就與我的『鐵路』興趣,有著大量的關聯。結合過去『內燃機』的興趣,我才能夠對機、電系統的連結,有著一定程度的了解!

各位可以參閱林一平老師閃文集2的313頁,裡頭介紹的『直流電大戰交流電』,這段有點暗黑的電力發展史,尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla)這位不世出的天才,發明的交流電,大大改變了人類文明,雖然他還是逃不過人性黑暗面的試煉,但是,他為現代電機工程界所做出的貢獻,卻是難以抹滅,甚至早在19世紀末,就已經發現旋轉磁場理論,進而發明了現在廣泛被使用的交流感應馬達,面對這個100多歲的交流馬達,不僅已經成為工業主要動力,而且現在也是Tesla電動汽車的動力來源

其實不只電力工程界有所謂的『直流電大戰交流電』,在鐵路動力的演進史,也有『直流電大戰交流電』,再繼續本文前,我先說一段小插曲,在台灣,不只政治媚日,連所謂的鐵道迷更是哈日,10多年前,我曾在一篇國內小眾鐵路刊物裡頭看到,有些哈日鐵道迷認為台灣鐵路,也應該採用日本1.5kV直流電化系統,他們說直流電車少了變壓器,所以不像交流電車那麼重,所以比較有效率;其實早期直流電車是採用電阻控制,必須攜帶重量不輕的電阻器,所以列車重量並不見得占便宜,一直到截波控制(Chopper)技術成熟後,牽引設備重量才得以減輕。如果說1.5kV直流電化系統真的那麼優異的話,單相交流25kV的電化系統,就不會在世界上大量流行,畢竟鐵路系統是個龐大的設備投資,過去已投入的大量資金,絕不可能一下就改變過來。

我恰巧在去年有個機會,在京都坐了1989年製造的京阪電鐵8000系特急電車,當時我很驚訝的感受到,直流車電阻控制所特有的加速衝動感覺,所以直覺這列8000系特急電車是電阻控制,後來上網查資料,8000系果然是電阻控制,再搭配界磁位相制御來做控制,很訝異現今的日本,竟然還有電阻控制的直流電車。所以說不只鐵路電化系統不可能如此輕易變更,即使車輛設備的投資也可見一般,但通常電化系統會比較明顯。所以不能說因為日本大量採用,就認為日本是好棒棒。直流電化系統如果真有那麼好,那電壓等級就不會只停留在3kV(義大利,西班牙,捷克等鐵路….),而不再繼續改進擴充。

而商用頻率的交流電化系統,可輕易由電力網路獲得,其集電電流小、傳輸效率高,可輕易滿足運量需求,故這種供電系統是最具經濟性,要不然目前世界上就不會有那麼多的新線採用交流電化。若是時光可以倒流,我想不只法國或荷蘭等….;相信就算是日本,一定也會選擇採用交流電化系統。

一位具有遠見的匈牙利鐵路工程師-Kálmán Kandó;他於1898年實驗了一種將高壓交流直接變為三相交流的變流器,以驅動三相交流馬達供牽引之用,所以說Kandó是世界上第一個將“變”相技術運用在鐵路牽引上,並且同時使用單相高壓交流電及三相馬達,後來類似結構的機車被稱做Kandó式鐵路機車(Kandó-locomotive),而當時技術的發展還未能夠配合Kandó的遠見,一直到80年代,閘流體相控技術發展至巔峰之後,直流馬達的性能漸漸的無法符合高速及高功率密度的需求,最後只有交流馬達才能符合性能的要求。

目前只有鐵路系統是大量採用電力作為動力來源,電力的優異性已勿庸置疑,而且也都紛紛採用交流馬達,有關鐵路動力版的『直流電大戰交流電』技術演進史,動力部分及電源部分,分別由直流轉移到交流,電源部分當然與電力工業息息相關,而交流電的優異在林一平老師的『直流電大戰交流電』已充分說明,而動力部分,也早已經工業界多年證實了交流馬達的優異。雖然直流馬達控制容易,但在馬達工學裡,直流馬達只能算是特殊電機!未來的交流電動力化,早在一個世紀以前,就已經由Nikola Tesla這位不世出的天才工程師所擘劃,也因此Musk才會取名Tesla來紀念這位偉大的電力工程師!

以交流感應馬達為首的諸多交流馬達,勢必將成為未來動力的主角,只要是跟動力有關的人,實在是不可不知;這個俗稱『馬達』的電動機。

 

待續……(會繼續探討動力排碳量的問題…)

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後記:
這本Thyristor DC Drives是由Canada Queen’s University的P.C.Sen教授於1980年完成的教科書,內容及介紹的技術已經有點陳舊了,有興趣的人可以參考網路線上PDF檔:https://kupdf.com/download/thyristor-dc-drives-pcsen_59bfe17608bbc59a12686f5d_pdf

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