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大历史观下的电力系统技术发展趋势

已有 2953 次阅读 2019-7-3 12:29 |系统分类:科研笔记

1 引言

关于电力系统技术未来发展趋势的综述与软课题研究,一般都是从电力系统自身发展的角度来展开分析[1],这些分析的核心论点一般都反映电力行业从业者自身的观点或者利益。众所周知,颠覆性创新一般都来源于行业外、跨界产生,因此,分析电力系统发展趋势,其外部性是不可忽略的。

电力作为现代社会核心二次能源,其影响范围和发展都受到人类发展的整体水平的影响和制约。以往的文献缺少从人类社会整体及大历史观下的电力分析研究。本文尝试从科幻、社会学、科技发展史等角度作为切入点展开分析,试图抛砖引玉,从人类大历史的角度分析研究当代电力系统技术发展趋势,同时给出一些可操作性的结论和建议。

2 人类技术上限的存在性

分析电力系统技术发展趋势之前,首先需要对人类未来技术的发展上限做一番考察。电力系统的技术再怎么发展,都不可能超越人类科学技术的上限。因此,确定了人类科学技术的上限,也就确定了电力系统未来发展的上限,这也是后续进一步分析的基础。

2.1 费米悖论分析

费米悖论是科幻小说经常讨论的问题,但是其本身是严肃的科学思考。诺贝尔奖获得者、物理学家费米在和别人讨论飞碟及外星人问题时,突然冒出一句:“他们都在哪儿呢?”这句问话引出的科学论题,被称为“费米悖论”。“费米悖论”隐含之意是,理论上讲,人类能用100万年的时间飞往银河系各个星球,那么,外星人只要比人类早进化100万年,现在就应该来到地球了。宇宙显著的尺度和年龄意味着高等地外文明应该存在,但是我们却无法观测到。

“费米悖论”的解释有很多种,刘慈欣在小说《三体》中提出“黑暗森林”假说[2],在科幻界产生较大影响。“黑暗森林”假说建立在宇宙社会学的基础上,假设条件较多。

从纯粹技术角度的分析,网友“资水东流”提出的“大过滤器”假说更有合理性[3],因为其假定条件更少。“大过滤器”假说指的是:文明发展过程中,必然存在某些难以逾越的关口,这就是“大过滤器”的存在,导致现在的宇宙无法观测到其它文明。由于“大过滤器”的筛选,极少有文明发达到可以被其它文明观测。

具体的“大过滤器”,很可能是可控核聚变技术。可以采用反证法证明:因为人类一旦掌握可控核聚变技术,就可以实现恒星际大量探测器的发射。而掌握可控核聚变技术,由于地球丰富的氦三资源,人类可长期维持文明的持续。只要人类文明持续数百万年,那么人类发射的探测器将遍布银河系。

2.2 未来复杂技术的可行性分析

自从工业革命以来,人类技术快速发展。按照自然界的增长模型,任何指数增长都是不可持续的。事实上,自20年代70年代以来,人类科学技术的进步处于减速甚至是停滞状态(例如,大量学术论文相互引用,顶刊的影响因子不断攀升,但是实际应用却越来越难,这就是技术停滞的表现)。

唯一得到快速发展的是信息技术,然而,信息技术(尤其是信息技术的底层技术近期也接近停滞,摩尔定律已经失效、量子计算机的实用性比预期差、人工智能技术依赖调参和堆硬件)。信息技术在其它行业的应用,目前仍然在快速发展中。这是目前 “中国制造2025”的重点,也是试图实现技术弯道超车的重点。

由于信息技术的底层也接近停滞,因此,这波信息技术在其它行业的应用,也是很难长时间持续的。等到信息技术对其它行业的应用浪潮结束,人类自工业革命以来科学技术快速发展的历史可能会终结。

人类的寿命、生理、大脑功能,必然决定了人类智力的上限。例如,海豚、黑猩猩等动物,可以解决其它动物难以解决的问题,但却无法理解人类的科学技术。人类的智力上限也决定人类难以理解全部事务,例如,人类对人类大脑的机制很难理解。人类的社会协作机制,可以弥补单人的智力上限,但是非常依赖受到科技训练的人口数量。例如,美国有3亿人口,但是已经无法独立完成所有高科技的研发,不得不分摊部分给其它国家。如果再考虑到工业制造,现代科技-工业体系已经不可能由单一国家独立承载。随着技术复杂性的进一步提高,可能全人类都无法完成某些技术研发;同时受到地球资源的限制,地球人口无法无限增长。

人类科学技术的发展,总是出现技术复杂度较低的发明,再研发技术复杂度更高的发明。但是由于前述限制的存在,有可能科学上具有可行性的事情(例如可控核聚变、戴森球),在技术上无法由地球上的人类来完成。

2.3 新能源技术的局限性

目前人类主要的能源利用形式是燃烧远古生物化石(煤炭、石油、天然气等)。由于生物化石的储量是有限的,总有一天会消耗完。有种观点是:化石燃料永远用不完,因为随着化石燃料储量的减少、价格的升高,发展新能源将越来越有利可图,未来将实现新能源对化石能源的替全面替代。这种观点只考虑经济性而忽略了技术本质,如果某种能源的总体投入能源高于产出能源,那么永远不可能出现经济上的利润。例如,目前人类驱动可控核聚变的能源远远超出产出,因此无论在经济和商业模式上如何创新,都没有利润可言。再比如,风力、光伏的能量密度低,不确定程度大,为了更好的利用风能和太阳能,生产、安装风电光伏设备本身就需要大量的能源。更不要说为了充分平抑波动需要的储能成本。因此,计算新能源效益,不能只计算其本身产出和成本,还应该从全社会、设备的全寿命周期的角度全面核算。

目前,除了水电外,可再生能源占全球电力大约有5%。由于水电的可开发量已经接近极限,为了实现对化石能源的全面替代,风光等可再生能源还有数量级的差距。自20世纪70年代以来,除了信息技术,还没有其它工业的发展能有数量级的提升。因此,对于可再生能源不能过于乐观。

3 信息技术对电力系统发展的推动

3.1 电力系统技术进步的推动力

自从自20世纪70年代以来,电力系统行业所取得的技术进步,都是由信息技术所影响、推动的。本部分将分几个细分行业,分别分析信息技术对于电力系统技术进步的影响。

3.2 电力电子技术

首先,电力电子早期起源于对半导体PN结的研究,与微电子技术同源;其次,现代的电力电子器件与控制算法,需要高性能的数字处理技术和芯片来实现,尤其是脉宽调制技术的(PWM)发展,开关频率非常高,对控制提出了更高的要求[4]

电力电子技术的发展对电力系统起到了强有力的改造作用,包括高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿、谐波治理、分布式能源接入,都离不开电力电子技术的作用。

3.3 保护与运行控制

在信息技术发展以前,工程师对电力系统的规律把控,需要建立模拟实验装置,这种模拟装置规模小、成本高,限制了电力工程师对大电网的把控能力。自从20世纪70年代以来,计算机技术的发展,由计算机实现了电力系统分析仿真,进而将调度监控工作转移至计算机,带来了电力系统业务的重大变革。这种变革首先在电力系统内部应用,与社会的交互较少,原因有主要有:在个人电脑发展前的年代,计算机价格昂贵,只能由电力用户这样的大型用户使用,因此,计算机在电力行业的应用,首先用于加强传统业务,尤其是对大电网的管控能力。特高压交直流电网的发展,都是在这种应用背景下的后续发展。

具体的电力系统前沿技术也是基本上由于信息技术推动的,在稳定性分析方面,传统采用严格数学分析的方法在应对电力系统强非线性方面无法取得满意的结果。EEAC算法中的IEEAC,就是互补群降阶分析与仿真相互结合的产物,可以说,没有计算机仿真技术,EEAC是难以实用化的[5]。以工频变化量为代表的新型保护算法,如果脱离了微机保护,用传统的继电器也是无法实现的[6]

3.4 分布式电源与微电网

里夫金在《第三次工业革命》一书中[7]大力推动分布式发电、微电网技术,认为这是能源系统的革命。事实上,离开信息技术的推动,分布式发电和微网技术不可能得到发展。比如说,20世纪80年代引进的电网调度自动化系统,其信息处理能力只能相当于现在的地县级电网。如果在园区、企业、楼宇都建立微电网系统,以当时的信息技术条件,是根本承受不起的。当前信息技术的发展,个人手机都拥有了很强的信息处理能力,家庭都可以建立光伏微网系统。

3.5 综合能源技术

综合能源系统可以接纳包括清洁能源在内的多种能源,提高各种能源的利用效率,促进能源系统之间的协调优化,实现多种能源的互补互济。综合能源技术尤其需要较高的信息处理技术、打破信息壁垒。实现综合能源服务,首先需要建立综合能源服务平台,监测风、光、气、地热、煤等各种形式的能源供应情况及区域内冷、热、电等用能情况,然后才可以实现能效提高、优化运行。

4  电力系统本体技术的停滞

4.1 停滞的现象

自从20世纪70年代以来,除了信息技术及其信息技术所影响、改造的相关技术,其余传统技术处于停滞局面。例如,在航空方面,大型飞机载客量和飞行速度与70年代相差不多;在火箭技术方面,当代重型火箭远不如“土星五号”。

电力系统本体技术指的是电力系统与物理的相关技术,也出现停滞局面,包括以下几个方面:

1)超导,超导技术自从发明以来,一直没有本质的突破,无法实现常温下的超导。目前的超导应用,需要强有力的制冷设备,同时需要防范失超风险,因此无法大规模商业应用。即使未来常温超导技术得到突破,其自身制造成本、电流承载量都未必满足大规模应用的要求。

2)电机制造,由于电机设备的效率已经接近极限,技术进步的边际效应已经大幅度下降。当然对于特殊应用、有特殊需求的电机,仍在发展中。

3)传统发电,以火电为代表的传统发电技术,在效率上的提升空间已经不大,同时传统发电污染问题难以得到彻底解决。

4)无线电能传输,这种技术在电动汽车充电中可得到小规模示范应用,但是大规模无线电能传输仍属于想象。

5)储能技术,首先储能技术的指标并没有数量级的提升,不仅是电力行业,手机、电动汽车等行业的发展都受困于储能技术的发展。其次化学储能电站发展较快,但是从长期角度受到矿产资源的制约;而抽水蓄能、飞轮储能等物理储能受到地理环境、材料强度的制约。由于储能技术对于未来新能源消纳、电网负荷削峰填谷的重要性,是技术研发重点投入的目标。

4.2 停滞的原因

基础理论方面,电力系统行业应用的基础理论一般是19世纪建立的,至今已经有100多年的历史,技术进步的潜力已经挖掘差不多了。20世纪虽然有相对论、量子力学等科学突破,但这些突破未能对当前的电力系统产生足够的应用(除了核能发电)。自从20世纪中叶以来,物理学前沿技术已经停滞不前。弦论等前沿理论难以在实验中验证,更不用说技术应用了。

材料技术方面,目前实用进展都是对传统材料的改进,以纳米技术为代表的新型材料很难有大规模实用化的案例。

技术研发管理方面,随着技术复杂性的提高,管理复杂度也在急剧升高,很多技术研发工作其实是不同信息格式的汇总、转换、展示。研发管理的投入成本也在急剧升高,当研发产出效益(真实效益而不是论文)低于投入时,必然会实质性停滞。

5 电力系统技术后续发展趋势

5.1 信息技术的深化应用

当前消息技术的应用,由大众消费领域向工业领域扩展。人工智能、大数据、泛在物联网等技术的发展,被社会广泛关注。电力系统深化应用上述技术,有助于转型升级,由生产型企业转换为平台型、服务型企业。

5.2 从开源到节流:技术发展的目标转换

如前文分析,信息技术的发展应用浪潮是有限的。当这波信息技术应用的热潮过去后,未来电力系统的发展趋势尚未有人深入分析。下面笔者尝试给出大历史观下的预测:

技术目标由满足更多需求,转换为满足相似需求前提下成本的降低。例如,民航业虽然航程、速度的进步都有限,但是随着新型发动机的验证、轻型材料的应用,燃油消耗大幅度降低。火箭技术虽然技术指标进步有限,但是马斯克的SpaceX公司将互联网公司的流程引入火箭制造,同时发展火箭回收技术,将火箭发射成本下降接近两个数量级。

对于电力系统来说,节能、提高能效将比更多的发电量更重要。当然,成本的形式是多方面的,不一定专门指的是能源消耗,也包括人力投入成本、环境成本等。例如,信息化技术应用,究竟是大幅度降低了成本,还是增加了无谓的工作量,不同的技术路线将有不同的发展前途。

当前由于电力行业还有大量结余资金,信息技术行业还有大量的风险投资资金,都可以不计成本的做事情。当热潮过去,随着资源约束的收紧,行业将更加量入为出,技术发展的目标倾向于成本的降低。

5.3 未来的电力行业创新创业机遇

传统的电力行业是自然垄断,由于监管难度,电力企业将非自然垄断环节纳入垄断企业,造成垄断的扩大化。对于社会来说,垄断的扩大化造成了很大的损失。例如,电力行业的封闭性,造成电力行业的信息系统建设成本是同规模互联网行业成本的10倍以上。因此,社会的共识是扩大电力系统的改革力度,在发电、配售电、设备制造、新技术应用等各个环节引入竞争,降低社会成本。

按照克里斯坦森颠覆性创新的理论[8],颠覆性创新的突破口在于过度技术化的领域,通过聚焦低端客户、新客户实现价值链的转移。电力系统的技术,长期以来服务数量极其有限的大企业,转型非常困难。而真正的能源服务、节能,需要下沉到最广泛的企业、园区,真实结合业务改造现有的生产模式(例如通过模型预测控制提高控制策略的有效性、通过运筹学优化企业生产和项目管理)。并不是建几个云服务网页做做监控就可以的。因此,这方面是创新创业的机遇。

6 结论

本文有下面的结论:

1)人类技术存在上限,电力系统技术也是如此;

2)电力系统技术进步大部分都是由信息技术推动的;

3)信息技术的发展也是有限的,信息技术应用浪潮过去之后,电力系统的技术进步重点是降低成本。

参考文献

[1] 周孝信,陈树勇,鲁宗相,黄彦浩,马士聪,赵强.能源转型中我国新一代电力系统的技术特征[J].中国电机工程学报,2018,38(07):1893-1904.

[2] 刘慈欣. 三体——黑暗森林[M]. 重庆:重庆出版社,2008.

[3] 资水东流.范式春梦中的地球工业文明http://bbs.tianya.cn/post-develop-1503114-1.shtml

[4] 徐德鸿等. 现代电力电子学[M].北京:机械工业出版社,2012.

[5] 薛禹胜.非自治非线性多刚体系统运动稳定性的定量分析——兼论电力系统暂态稳定性[J].电力系统自动化,1998(01):12-17.

[6] 沈国荣.工频变化量方向继电器原理的研究[J].电力系统自动化,1983(01):28-38.

[7] 杰里米·里夫金.第三次工业革命[M].北京:中信出版社,2012.

[8] 克莱顿·克里斯坦森. 创新者的窘境[M].北京:中信出版社,2010.

 




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