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現代電網旋轉的核心是過去被稱為發電機的裝置——一個由在電磁場中旋轉的銅線堆組成的裝置。但是驅動發電機旋轉的是渦輪機——為了從智慧電網中榨取更多效率、減少溫室氣體排放和其他汙染，可能需要改進這項核心技術。
“最好的減排方式是不產生排放，”阿爾斯通電力公司技術高階副總裁查爾斯·蘇希爾指出，該公司是渦輪機制造商。
將水加熱成蒸汽以驅動渦輪機旋轉是大多數發電的基本原理。例如，如今，西弗吉尼亞州新黑文的登山者發電廠的燃燒爐每分鐘消耗近14,000公斤煤，使該電廠能夠輸出1,300兆瓦的電力。蒸汽溫度高達500攝氏度以上，透過管道流入並圍繞渦輪機——一個200公噸重、30米長的鋼軸，配備了葉片和翼片，以便在蒸汽膨脹和冷卻時幫助它旋轉。
這種機械旋轉反過來又使磁場中的銅管旋轉。這會在銅中產生電流，然後電流流經現代電網——一個巨大的電路——到達您的家中。
“蒸汽渦輪機和燃氣渦輪機是將蒸汽或燃氣形式的能量轉化為機械能和電能的手段，”蘇希爾解釋說。“這些機器已經存在了很長時間——超過120年。”
在那段時間裡，旋轉渦輪機的基本原理並沒有發生太大變化。大多數發電廠——無論是燃煤、天然氣、核電，甚至是風力發電——都依賴渦輪機來驅動發電機旋轉併產生大量電力。改進這些渦輪機可以節省燃料並減少汙染。“從提高一個百分點的效率中，你每年可以節省90億磅的二氧化碳，”通用電氣（GE）能源公司的一位工程師、總經理埃裡克·格布哈特說，該公司也是一家渦輪機制造商。
旋轉週期
從特殊形狀的鋼塊製造新的蒸汽渦輪機大約需要18個月的時間，其中包括製造與人手臂一樣長的鈦合金葉片。最終，渦輪機將以每分鐘高達3,600轉的速度旋轉（核電站所需的大型蒸汽渦輪機的轉速為1,800轉/分鐘）。這些渦輪機的設計壽命至少為20年，必須承受來自高速水滴的巨大沖擊，以及高達620攝氏度的高溫，以及其他挑戰。“裝置執行溫度越高，效率就越高，”蘇希爾指出。
當然，鋼等金屬在暴露於高溫時往往會軟化——這會導致零件過早磨損。與鋼混合的鎳合金提高了渦輪機的耐熱性，並可能使渦輪機到2020年能夠在700攝氏度的溫度下執行，蘇希爾說。這樣的溫度將使燃煤電廠能夠捕獲燃煤釋放能量的50%，高於目前約40%的平均水平。
通用電氣正在探索使用碳纖維和碳化矽複合材料製成的陶瓷，以允許在更高的溫度下執行。通用電氣先進陶瓷實驗室的格雷格·科曼指出，該公司目前正在其位於馬薩諸塞州林恩的工廠的測試渦輪機上評估陶瓷，儘管這些新材料可能會在發電廠之前在噴氣發動機渦輪機中得到應用。“這兩種可能性各佔一半，”他說。
未來是（天然）氣的天下
儘管核電復興可能正在進行中——並且新的渦輪機正在被改裝到那些運營許可證已經延長了幾十年的現有電廠中——但美國對蒸汽渦輪機的需求並不強勁，很大程度上是因為公用事業公司現在想要可以更靈活、更清潔地停止和啟動的發電來源。“用電話很難啟動燃煤電廠，”格布哈特說。“在碳排放受限的世界中，天然氣將發揮越來越大的作用。”
事實上，鑑於核電復興的緩慢啟動和煤炭的惡名，“天然氣正在填補空白，”阿爾斯通北美地區營銷總監理查德·潘格拉齊說。與燃煤相比，天然氣不僅在二氧化碳排放方面節省了40%，而且由於其能夠在幾分鐘內啟動的能力，還可以可靠地支援更多可變的——並且越來越受歡迎的——發電來源，例如風力渦輪機或太陽能電池板。
燃氣渦輪機有多種型別，從基本上綁在地上的噴氣發動機到聯合迴圈裝置，該裝置在加壓空氣中燃燒天然氣以驅動一個渦輪機旋轉，然後捕獲該過程產生的熱量以產生蒸汽，從而驅動第二個渦輪機旋轉。但它們的工作原理與蒸汽渦輪機完全相同：使用高溫高壓氣體——在這種情況下是燃燒天然氣的產物——來產生旋轉。“聯合迴圈燃氣渦輪機的效率略低於60%，”蘇希爾指出，其執行溫度高達1300攝氏度。
陶瓷和渦輪機周圍的氣流有助於保護其金屬部件免受高溫的影響，否則這些高溫會使它們熔化。“如果你失去氣流，它會在幾秒鐘內熔化，”格布哈特指出。
乾式冷卻真的有效嗎？
冷卻仍然是所有渦輪機和所有發電面臨的主要挑戰。如今，大多數發電廠都依賴附近河流或湖泊的冷卻水——隨著淡水變得更加稀缺或受到保護，這種選擇可能會消失。例如，紐約州最近要求印第安角核電站，如果想要延長其運營壽命，就必須轉換為空氣冷卻。
不幸的是，空氣冷卻意味著效率的大幅降低。蘇希爾指出，水冷允許操作溫度和冷卻溫度之間存在更大的差異，這對於可以捕獲的功率量至關重要。“採用空氣冷卻系統，渦輪機變得更小，”他說，“你會損失一點效率。”
“時至今日，還沒有人發現比水更好用的流體，”通用電氣結構力學和動力學實驗室的機械工程師傑伊迪普·羅伊說。簡而言之，它仍然是驅動渦輪機旋轉和收集熱量的最經濟實惠的方式。隨著國家對電力的需求持續增長，水可能成為癥結所在——減緩渦輪機的旋轉。