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生活科普：人类为什么爱用电

来源：中国电机工程学会

发布时间：2022-11-28

浏览次数：3139

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你知道吗，我国正在建造的第三艘新航母将会采用舰船“全电推进”即“综合全电力推进系统”作为舰船的动力方式。

中国新航母想象图

什么意思呢？简言之就是用主机先发电，电力再供应给电机推进。好处嘛，因为航母会安装电磁弹射器这类“耗电大户”，如果主机专门进行发电，电磁弹射器用电的问题就可以一并解决了。

电磁弹射器示意图

拉开清单，现在世界上使用全电推进系统的有如下船只：

对于全电推进的好处：更敏捷的变速，更澎湃的推背感，这点跟电动汽车很像。那对于军用舰船来说，大功率雷达、电磁弹射，以及未来陆续登场的电磁炮、激光武器等无一例外都是耗电大户，全电系统自然就具有优势了。

先进的动能杀伤武器——电磁炮

既然电推这么好，世界上的舰船是不是早就该都使用电推了呢？其实早在一战时期，美国就在大型主力舰船上尝试使用电推了：新墨西哥级、田纳西级、科罗拉多级这种大型战列舰们先后都使用了电推系统，这甚至都是20世纪20年代的事了。

美国科罗拉多级战列舰

然而到了二战，美国的各型主力战舰又都回到了用主机直接通过长长的轴带动螺旋桨推进的方式。这是为什么呢？究其原因，就是先用主机发电，再用电力驱动电动机的这个机械能转化成电能，电能再转化成机械能的过程，会有不可避免的能量损耗，从而降低了整体的能源利用率，不如几个大齿轮+一根大轴机械传动来的爽快、高效。所以后世的舰船也好，坦克也好，汽车也好，大多还是使用了简单直接的机械传动。

机械传动结构示意图

那现在怎么“全电推进”概念又复兴了呢？无非是前面讲过的那些新设备“用电大户”的刚性需求以及性能灵活度等其他好处，跟能量来来回回转化损耗所带来的坏处之间博弈的结果。

说到“电推”，近几年发展迅速的消费级民用电动汽车肯定是绕不开的话题。事实上，那种大型的电动公交车，在我们的城市里不知不觉中普及的更早。

北京的"中国红"纯电动公交车开跑长安街

但到了个人私家车领域，大家就会非常认真地审视它的“效费比”了（毕竟花的是自己的真金白银）。在电池、操控等技术领域进步，以及国家“低碳环保”政策的补贴支持下，才出现了今天的蓬勃发展。

国家电网电动汽车充电场站

说到“低碳环保”，大家的脑海里会不会冒出这样的问题：电动车“烧”电是不排碳，但现在我国的主要发电方式还是燃煤发电啊，这样碳不还是在照排么？

这个嘛，只能说先将你的私家车的能源使用接入电网，然后再优化电网源头的发电模式，用核电、风电、太阳能、生物质等清洁能源逐步替代传统火电。只有先联网，才更方便整体进行优化嘛~

其实，这个靠网络优化的模式早在上上次工业革命时就已经开始了。考考大家，19世纪后半叶发生的“第二次工业革命”，其标示性的技术是什么？就是电力和内燃机。

四冲程三缸发动机工作示意图

事实上，德国的保时捷博士早在20世纪初就曾打造出过电动赛车，但电动车并未因此而出现普及，内燃机还是在此后占据了海陆空各种载具的动力核心地位，这说明它在单个载具上的能量使用功效和方便程度都比电力来得要好。那电力的优势是什么呢？网络化！

如果从外太空俯瞰地球，人类文明最直观的标志是什么？就是那密布在大地上的璀璨灯光，而发出这些灯光的主力都是城市。

中国夜间灯光分布图

伴随着“第二次工业革命”，城市化和电力化是同步进行的，因为大家逐渐都聚集到了城市里，就不用每家每户都装一台发电机了，而是使用一张共享的电网。另外，与之同步的供水、排污、交通、物流等要素，在城市出现了聚集共享的网络效应，从而大幅提高了人们的生活水平乃至平均寿命。

20世纪30年代的纽约街道夜景

以光速传播的电，不管是作为能量还是信息的载体，都是极其高效的存在，唯快不破嘛。而且电流如水流，有着极好的通用性，利用电来组建的网络系统，从一辆汽车到一艘舰船再到一座城市，这个系统越大越复杂，要实现的功能越多，电的优势就越明显。

上海外滩夜景

在蒸汽时代，人类曾尝试过打造通用计算机，但未能成功。到了电力时代，我们终于成功了！这证明了电确实是人类至今为止发现的最好用的组网工具。不过反过来，我们也可以理解为：人类之所以那么喜欢用电，很大的动力就是有将各种系统组网的强烈倾向。在技术细节上，比如电动机和内燃机，电传动和机械传动，曾经一度在单体竞争中都是后者占据优势，但随着技术的升级，只要双方能够打成平手，电的组网优势，就让人们往往开始倾向于使用电能了。