電氣技術(shù)發(fā)展回顧與展望

文/本刊記者 肖吉德 特約記者 符彩霞

電能開發(fā)和應(yīng)用技術(shù)（電氣技術(shù)）服務(wù)人類生產(chǎn)和生活只有約兩百年的歷史。在19世紀和20世紀交替的約20年內(nèi)，電氣技術(shù)的發(fā)展可謂突飛猛進，電氣技術(shù)的創(chuàng)新層出不窮，各種發(fā)電、輸電、配電和用電設(shè)備在天才的發(fā)明家手中不斷涌現(xiàn)，電氣技術(shù)深入到人類改造、征服和利用自然的活動中，在人類經(jīng)濟活動的各個領(lǐng)域發(fā)揮日益顯著的作用。進入21世紀的幾年來，電氣技術(shù)服務(wù)人類發(fā)展的能力已遠非一百年前可比，就在這時，全球70年來最嚴重的經(jīng)濟危機讓美國、歐盟、日本的實際GDP同比分別下降2.4%、4.1%、5.2%，人類苦心建立起來的龐大電力系統(tǒng)顯然有點多余。據(jù)BP公司公布的年度能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2009年全球的發(fā)電量為200936億度，比2008年下降了0.92%，各類不同的經(jīng)濟體的用電量都出現(xiàn)了歷史上少有的下調(diào)。在這重要時光，人類再次把眼光投向電氣技術(shù)，意欲讓她承擔(dān)起帶領(lǐng)人類走出經(jīng)濟危機和環(huán)境困境的先鋒，為此電氣技術(shù)的創(chuàng)新再次成為人類創(chuàng)新的焦點，以節(jié)電、可再生能源發(fā)電、智能電網(wǎng)等為代表的電氣技術(shù)創(chuàng)新成就正在引領(lǐng)人類走向更高的文明境界。

電氣技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用史話

電氣技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展源于電磁學(xué)理論的發(fā)展。從丹麥物理學(xué)家奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)，到安培定則、歐姆定律和法拉第的電磁感應(yīng)定律，電磁學(xué)理論羽翼漸豐。1864年，在上述理論和實驗基礎(chǔ)上，英國特理學(xué)家麥克斯韋提出了麥克斯韋方程組，創(chuàng)立了完整的經(jīng)典電磁學(xué)理論體系。隨后，德國物理學(xué)家赫茲證實了電磁波的存在，進一步完善了電磁學(xué)理論，形成了現(xiàn)代電磁學(xué)的基本框架。經(jīng)典電磁學(xué)的建立，為人類開發(fā)利用電能奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。

電氣技術(shù)隨著電能的應(yīng)用而日趨成熟，一百多年來電氣技術(shù)的發(fā)展史就是一部探索電能利用形式、最大限度、最經(jīng)濟利用電能的發(fā)明史。電能易于轉(zhuǎn)化成機械能、熱和光，又是信息的重要載體，并且便于遠距離輸送和分配。這樣的優(yōu)良特性使得電能由最初用于電照明、電報、電話，擴展到電鍍、電動力以至工業(yè)生產(chǎn)的各部門，并迅速進入人類經(jīng)濟生活的各個領(lǐng)域。

早19世紀上半葉電能用于工業(yè)生產(chǎn)之前，作為通信用的電器設(shè)備就已經(jīng)開始進入試用階段。在通信領(lǐng)域，電主要用來傳遞信號，涉及到的電氣設(shè)備主要有電池、電線電纜和各種電子器件。1838年，畫家出身的莫爾斯發(fā)明了電報機，不久，電報取代烽火狼煙成為傳遞信息的主要手段。約四十年后，美國人貝爾發(fā)明了電話，使電訊走向民眾。1895年，意大利人馬可尼又在有線電話的基礎(chǔ)上發(fā)明了無線通信。1906年，加拿大在美工作的物理學(xué)家費森登發(fā)明了無線電廣播，使人們第一次聽到用電磁波傳來的音樂和新聞，到20世紀30年代初，無線電廣播系統(tǒng)已覆蓋全球絕大部分地方。1925年英國發(fā)明家貝爾德發(fā)明了電視機，實現(xiàn)了利用電磁波傳遞視頻信號的夢想。今天世界上有數(shù)十億臺電話、電視，通信技術(shù)也從有線發(fā)展為無線，從模擬發(fā)展為數(shù)字，而這些正是根源于人類對電和電磁波的早期探索。

人類最早發(fā)明的電光源是弧光燈和白熾燈。1807年英國的戴維制成了碳極度弧光燈，1878年，美國的布拉許利用弧光燈在街道和廣場照明中取得了成功。1年后，2位美國費城的高級中學(xué)教師湯姆生和霍斯頓通過設(shè)計弧光燈系統(tǒng)開創(chuàng)了新的電工業(yè)。1880年，愛迪生發(fā)明了實用白熾燈，揭開了電應(yīng)用于日常生活的序幕。愛迪生之后，電燈不斷改進。1939年管狀日光燈問世，很快被廣泛采用，成為又一種重要的照明光源。隨后電能用于耗電較小的收音機、電視機、洗衣機等家用電器，創(chuàng)造了電能在家庭生活中應(yīng)用的第一階段；第二階段發(fā)展到使用耗電較多的電冰箱、廚房用電爐、電熱水器和空調(diào)設(shè)備等；第三階段發(fā)展到電氣采暖和家庭生活全面電氣化。

在電氣設(shè)備走入千家萬戶的同時，也走進了各廠礦企業(yè)。從19世紀80年代開始，電力驅(qū)動逐漸進入交通運輸部門。1879年西門子和哈爾斯克在柏林工業(yè)博覽會上展出了第一條小型電車軌道，到1899、1900、1902年，倫敦、巴黎、柏林先后建成了第一條電氣化地下鐵道。1912年，瑞士第一批電力牽引火車開始行駛。除城市電車外，1887、1908年首次出現(xiàn)了電動礦用機車和電動運輸車。1894年，美國的一家棉花加工廠首先實現(xiàn)了電氣化，其供電系統(tǒng)全部用交流電。20世紀初，所有新建工廠都使用電動機為動力。1899年到1909年的這10年時間是實現(xiàn)工業(yè)電氣化的重大轉(zhuǎn)折點。10年間電動機產(chǎn)量增長了216%，而工業(yè)用電動機卻猛增了584%。同時，交流電動機成了工業(yè)電動機中的主力。1899年僅有1/5的工業(yè)電動機是交流機，到1909年交流機已超過了一半。將電能轉(zhuǎn)化為各種機械能的功臣非“電動機”莫屬，正因為有了電動機，才使我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。

電力不僅作為最主要的動力被廣泛運用于加工工業(yè)，而且由于電力的應(yīng)用導(dǎo)致了一系列新的加工工藝的發(fā)展，如電鍍、電焊、電加工等等，為加工工業(yè)增添了許多重要手段。

照明技術(shù)和動力技術(shù)的發(fā)展及普及對強大電源提出了新的需求，正是由于電能的廣泛應(yīng)用促進了發(fā)電和輸變電以及電源技術(shù)的發(fā)展。從1875年建成第一座發(fā)電廠至今只有130多年的歷史，從1832年制成第一臺發(fā)電機至今也僅有170多年。在此期間，電力技術(shù)和電力生產(chǎn)取得了歷史性的重要成就：發(fā)電機組容量和電廠規(guī)模從小到大，技術(shù)參數(shù)和自動化水平不斷提高；發(fā)電能源由單一進而多樣化；輸電電壓等級不斷提高，輸電距離不斷延長；從弧立供電發(fā)展到聯(lián)合為電網(wǎng)，電網(wǎng)的規(guī)模日益擴大。

電氣技術(shù)應(yīng)用與創(chuàng)新區(qū)域大轉(zhuǎn)移

電氣技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用從19世紀末期開始在美國和歐洲等地區(qū)進入大規(guī)模應(yīng)用階段，隨后慢慢發(fā)展到全球各地。近一個多世紀來，電氣技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新水平一直是一個國家先進程序的重要標志。1894年，美國借電氣技術(shù)革命的重大機遇代替英國，成為全球第一大經(jīng)濟體，并在到目前為止的一個多世紀里成為全球電氣技術(shù)應(yīng)用的第一大國。而歐洲在至今為止的歲月里一直保持著全球最大的電氣技術(shù)供應(yīng)地區(qū)，也是全球最領(lǐng)先的電氣技術(shù)創(chuàng)新地區(qū)。

在20世紀和21世紀交替的20多年里間里，隨著全球經(jīng)濟的重新調(diào)整，以金磚四國為代表的發(fā)展中國家在全球經(jīng)濟份額中的比重快速上升。她們電氣技術(shù)應(yīng)用規(guī)模在全球占據(jù)了日益重要的地位，同時也成為電氣技術(shù)創(chuàng)新的重要國度。如中國早在20世紀90年代就成為全球第二大電氣技術(shù)應(yīng)用市場，并將在最近幾年內(nèi)成為全球最大的電氣技術(shù)應(yīng)用國家。中國在電氣技術(shù)的創(chuàng)新上也已走在全球的前列，超高壓輸電技術(shù)已位居全球最前列。

隨著歐洲、美國和日本經(jīng)濟發(fā)展的放緩和電氣化應(yīng)用的日趨成熟，對電氣新技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模增長乏力，而以金磚四國為代表的發(fā)展中國家經(jīng)濟快速發(fā)展對電能的需求快速增加，推動了電氣技術(shù)的加速應(yīng)用，而技術(shù)的創(chuàng)新是緊跟技術(shù)的最新應(yīng)用市場的，因此這些國家往往成為全球重要的電氣技術(shù)創(chuàng)新地區(qū)。隨著經(jīng)濟全球化和一體化的加速，發(fā)展中國家市場成為發(fā)達國家電氣技術(shù)供應(yīng)商在全球的日益重要創(chuàng)新場所。電氣技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用在發(fā)達國家和發(fā)展中國家的這種轉(zhuǎn)換速度是快速的，這在BP公司的年度能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)里就有很明顯的表現(xiàn)。

受經(jīng)濟危機的影響，2009年全球的發(fā)電量為200936億kW·h，比2008年下降了0.92%，但這種下降幅度在不同類型的經(jīng)濟體里有嚴重的分化，發(fā)達國家大多出現(xiàn)了較大幅度的下降，而大多數(shù)發(fā)展中國家仍保持了較快的增長，只是增長速度有較大幅度的下降。

2009年，歐盟的發(fā)電量同比下降了5.11%，歐洲和歐亞大陸下降了4.79%，OECD下降了3.97%，北美下降了3.64%。這些以發(fā)展國家為主體的地區(qū)的發(fā)電量下降速度都遠遠高于世界同期發(fā)電量下降的幅度。而亞太地區(qū)2009年發(fā)電量卻同比增長了3.29%。

發(fā)達國家2009年經(jīng)濟出現(xiàn)了較嚴重的下滑，相伴的必然是發(fā)電量的快速下降。雄居全球第一大發(fā)電國和第一大經(jīng)濟體一個多世紀的美國2009年發(fā)電量下降了3.8%，全球第二大經(jīng)濟體和第三大發(fā)電國日本2009年發(fā)電量下降了5.54%，加拿大下降的4.31%，歐洲的德國下降了6.1%，法國下降了5.35%，英國下降了4.33%，意大利下降了9.14%。而反觀發(fā)展中國家，世界第二大發(fā)電國中國發(fā)電量2009年同比上升了6.89%，全球第5大發(fā)電國印度上升了5.79%，巴西也上升了1.2%，唯有作為發(fā)展中國家的俄羅斯2009年發(fā)電量下降了4.25%，這主要是因為俄羅斯自身的經(jīng)濟出現(xiàn)了問題。

1990年到2009年，全球發(fā)電量從153798億度上升到200936億度，增長了69.6%。在5大地區(qū)中，1990年到2009年發(fā)電量增長速度最低的為歐洲和歐亞大陸，僅增長了10.96%，北美增長速度也僅為33.17%，主體為發(fā)達國家的這兩個地區(qū)增長速度均遠低于全球平均增長速度，同為發(fā)達國家集合體的歐盟和OECD的速度也遠低于全球平均速度。歐洲和歐亞大陸發(fā)電量占全球的比重從1990年的38.57%下降到2009年的25.23%，下降了13.34個百分點，北美從31.96%下降到25.23%，下降了6.87個百分點。

與上面情況形成明顯對比的是，2009年亞太地區(qū)的發(fā)電量比1990年增長了209.32%，占全球的比重從20.5%上升到37.39%，上升了16.89個百分點。2009年中東地區(qū)的發(fā)電量比1990年增長了215.85%，占全球的比重從2.02%上升到3.76%，上升了1.74個百分點。

從統(tǒng)計的全球主要42個發(fā)電國家和地區(qū)來看，2009年發(fā)電量比1990年增長超過2倍的有9個國家，從高到底依次為中國、印度尼西亞、馬來西亞、韓國、伊朗、土耳其、泰國、埃及和印度。在這9個國家中，肩并肩耀眼的當(dāng)屬中國，在這期間中國的發(fā)電量增長了近5倍，占全球的比重從1990年的5.24%上升到了2009年的18.54%，上升了13.3個百分點，同期印度和韓國發(fā)電量占全球的比重也上升了超過1.93個百分點呼1.27個百分點。

而俄羅斯、烏克蘭和瑞典2009年的發(fā)電量甚至低于1990年的發(fā)電量。俄羅斯占全球發(fā)電量的比重從1990年的9.13%下降到了2009年的4.94%，下降了4.19個百分點，烏克蘭同期也下降了1.66個百分點。占全球發(fā)電量比重下降最多的是美國，美國下降了6.24個百分點，德國下降了1.67個百分點，日本下降了1.55個百分點，加拿大下降了0.88個百分點，法國和英國都下降了0.85個百分點。

電氣技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用展望

電燈、電話、電視、電腦這些生活中隨處可見且越來越必不可少的小東西就根本離不開電；電線、電器、電機這些支持著各個生產(chǎn)車間、廠礦企業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏的電氣設(shè)備都直接發(fā)源于電；離我們很遠的水電站、火電廠、電力網(wǎng)在左右著人類生活的電力設(shè)施是便利生產(chǎn)、生活的力量源泉。當(dāng)前，無論是城市還是鄉(xiāng)村，無論是工業(yè)、商業(yè)還是農(nóng)業(yè)，無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，無一能離開電而順暢運行，電氣化已成為人類文明程度的核心標志。

隨著信息技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，無論發(fā)電、輸電、配電，還是電能利用技術(shù)都將進行重大的變革和發(fā)展，走過一個半世紀、使人類生活變得無比絢麗的電氣技術(shù)定將煥發(fā)更旺盛的生命力。實際上，電氣技術(shù)在進入21世紀的第二個十年之際，正在發(fā)生歷史上難遇的巨變。

今天，世界正在發(fā)生一場以低碳經(jīng)濟為代表的深刻變革，作為現(xiàn)代經(jīng)濟高效發(fā)展核心動力的電能開發(fā)和應(yīng)用正面臨一場空前的革命。以節(jié)電、智能電網(wǎng)、可再生能源發(fā)電、電動汽車等為代表的新興電氣技術(shù)產(chǎn)業(yè)已成為全球經(jīng)濟的制高點和重大戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，電氣技術(shù)的創(chuàng)新能力和效率已成為決定一個國家在新時期競爭力的核心產(chǎn)業(yè)。電氣技術(shù)正處在其一百多年歷史上最具活力的創(chuàng)新期，也是今天人類極具創(chuàng)新空間和創(chuàng)新成效的技術(shù)領(lǐng)域。

從上一節(jié)的分析可看出，以中國和印度為代表的新興發(fā)展中國家正成為全球電氣技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用的主戰(zhàn)場，在電氣技術(shù)的進一步發(fā)展中將扮演日益突出的核心作用。如中國電氣技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用的發(fā)展速度正在超越地球上的所有國家成為全球新興電氣技術(shù)最大和極具活力的應(yīng)用市場，更是全球電氣技術(shù)供應(yīng)商進行技術(shù)創(chuàng)新和創(chuàng)新工程應(yīng)用的首選場所，如中國的超高壓電網(wǎng)建設(shè)、新能源發(fā)電都已走在世界的最前列。

隨著時間的推移，一批世界領(lǐng)先的電氣技術(shù)供應(yīng)商將在以中國為代表的發(fā)展中國家快速成長起來。而以歐洲為代表的傳統(tǒng)領(lǐng)先電氣技術(shù)供應(yīng)商仍將是新興電氣技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用的領(lǐng)先者，這種格局將維持很長的時間，甚至?xí)玫竭M一步的加強。而美國和中國這兩個正在進行全球最大電氣技術(shù)應(yīng)用國度角色更替的國家也必將在今后的電氣技術(shù)領(lǐng)域進行激烈的競爭，這兩個國家都已經(jīng)把新興電氣技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為國家今后很長一段時期內(nèi)的核心戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)來規(guī)劃，誰能最終領(lǐng)跑全球市場還無法給出結(jié)果。

據(jù)國際能源署預(yù)測，未來20年，經(jīng)濟的發(fā)展需要全世界每周增加一座1 GW的電廠和相關(guān)電力設(shè)施，位居20世紀對人類社會生活影響最大20項工程技術(shù)成就首位的電力系統(tǒng)在將來必須以經(jīng)濟的方法應(yīng)對這種發(fā)展趨勢。

停電已越來越難以讓人接受。電力系統(tǒng)的可靠性在過去幾十年取得了重大進步，但斷電的風(fēng)險依然存在，電力系統(tǒng)的可靠性將始終是工程技術(shù)人員努力的核心課題?？煽糠€(wěn)定的電力供應(yīng)不僅有助于經(jīng)濟發(fā)展，對氣候變化也有著積極的影響。如電力系統(tǒng)能安全地處理和穩(wěn)定電網(wǎng)擾動，將需要更少的備用電廠，將帶來更低的排放。

未來20年，節(jié)電將能更好地遏制人類二氧化碳的排放。但節(jié)電技術(shù)目前應(yīng)用的水平很難令人滿意，還有巨大的潛力。就是在已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，增效節(jié)能的投資一般在兩年內(nèi)即可通過節(jié)約下來的能源開支收回成本，商業(yè)機構(gòu)往往不會放過這種快速回報的投資機會。這需要節(jié)電技術(shù)供應(yīng)商和用戶克服很多的障礙，當(dāng)然進行節(jié)電技術(shù)的創(chuàng)新也是很重要的。

大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能、潮汐或地?zé)崮馨l(fā)電是避免二氧化碳排放的有效方法。隨著技術(shù)的改進、轉(zhuǎn)換效率的提高以及生產(chǎn)成本的下降，這些能源對未來能源的貢獻大大增加。間歇式風(fēng)力發(fā)電是電網(wǎng)穩(wěn)定的另一大挑戰(zhàn)，需要增加額外儲備。連接遙遠的海上風(fēng)電場的風(fēng)電，也需要相應(yīng)的技術(shù)。能源儲存將最終幫助克服間歇性的供電問題，高壓直流電纜技術(shù)則是跨海輸電的辦法。這些技術(shù)都有待進一步取得突破。

電能的用戶在今天對電力系統(tǒng)的運行擁有更大的發(fā)言權(quán)，用戶的影響力還將進一步加強，這當(dāng)然給用電技術(shù)帶來了很大的創(chuàng)新空間。已有的技術(shù)可以讓用戶清晰地了解任一時刻的實時用電情況及其相應(yīng)的電費。這對了解發(fā)電廠與用戶之間的需求響應(yīng)關(guān)系，減少所需備用電力作用重大。電動汽車技術(shù)的突破和規(guī)模應(yīng)用將大大提升電能用戶的地位和影響力。