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电力标准之争-世界电力频率及电压格局的塑造(上篇)

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  一、直流电、交流电、发电机、电动机的发现发明与交直流之争

  人类最早对电的科学认知,应该要追溯到富兰克林(Benjamin Franklin)利用风筝实验(1752年),将闪电引入莱顿瓶中,并通过后续一系列的电学实验,证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。1800年,意大利物理学家亚历山德罗·伏特发明了人类历史上的第一个电池——伏特堆。这一用锌片(阳极)和铜片(阴极)以及浸湿盐水的纸片(电解液)制成的最初的电池,证明了电的人为制造可能性。

  伏特为拿破仑讲解伏特堆

  1802年起,实验室的科学家们已经有能力通过电化学反应产生稳定的电流。英国化学家亨弗莱·戴维(Humphry Davy),1809年利用电流加热不同金属条,发现铂丝能够在不氧化的情况下在一段时间内保持白炽状态,这是人类第一次将电能转化为光能。此外,他还将两根炭棒互不接触地接在大功率电池的两端,炭棒间持续出现呈拱形(arch)的火花,因此将其称之为“电弧”(arc),这就是弧光灯发光的基本原理。戴维的上述两项发现分别为白炽灯和弧光灯的发明奠定了基础。此外,这个大佬还发现并制得了包括钙(Calcium)、镁(Magnesium)、钠(Sodium)、钾(Potassium)、锶(Strontium)、钡(Barium)等多种元素,是公认发现元素最多的科学家,也被誉为“无机化学之父”,他还发现了法拉第的才能,引领他迈进科学界的大门,尽管师徒二人经历了一些不愉快,但是戴维在临终前仍自豪地认为法拉第是他最伟大的发现。说到法拉第,大家就比较熟悉了,1821年法拉第制成了第一个实验电机(直流)的模型,1822年法拉第证明电可以做工运动。1831年,法拉第用装置实验发现了电磁感应现象,即当a线圈接通或切断电源的瞬间,在b线圈附近的小磁针突然跳动,说明在接通或切断电源的瞬间,b线圈中有电流感生出来。此外他还发现了电解定律,对气体放电现象进行了大量的卓有成效的研究,为后来伦琴射线、天然放射性、同位素等的发现准备了条件,为现代物理学的发展奠定了基础。在电磁学的研究过程中,他创造了诸如抗磁性、顺磁性、电介质、力线、阴离子、阳离子等新词汇,提出了“场”的概念。同年,法拉第利用电磁感应现象,发明了第一台不使用化学方法的发电机,即法拉第圆盘发电机,两个导线一个摩擦圆心,一个摩擦圆周,这个是直流发电机,但是这是个实验室的机器。因为导线和圆盘不断的摩擦,是会造成磨损的。

  1821年法拉第制作的实验电动机模型(左)与1831年法拉第圆盘直流发电机(右)

  说到电与磁的关系,还不得不提一个人就是奥斯特,在物理学的发展史上,曾有相当长的时期一直未找到电与磁的联系,把电与磁现象作为两个并行的课题分别进行研究。直至1820年奥斯特发现了电流的磁效应后,才不再把电与磁的研究看作相互孤立的,而是作为一个整体看待从而诞生了电磁学。同年,法国物理学家安培提出了著名的安培定律(电流与电流之间磁相互作用的规律,两个元电流之间相互作用力的大小分别与它们的电流强度I₁、I₂以及两电流元长度dL₁、dL₂成正比,与其间的距离r₁₂平方成反比)。1826年,德国物理学家乔治·西蒙·欧姆在《金属导电定律的测定》论文提出了欧姆定律。电与磁方面,大家还比较熟的人物可能就是发现了自感现象的美国物理学家亨利(J.Henry,1797-1878),以及宣布了关于电磁感应现象的基本规律,指出感应电流的方向是使它所产生的磁场与引起感应的原磁场的变化方向相反(楞次定律)的俄国物理学家楞次(H,F.E.Lenz,1804-1865)。

  上述这一波下来,基本上物理学中电磁部分的单位大家都见过好几个了,大佬也基本上是研究型大佬,但是电力的发展研究远没有止步,经过了前期的铺垫研究,后面电力开始在应用层面遍地开花,商业及科学双重大佬们即将上线:

  1870年比利时人格拉姆发明直流发电机。在设计上,直流发电机和电动机十分相似。后来,格拉姆证明向直流发动机输入电流,其转子会象电机一样旋转。

  1875年爱迪生购买了一项技术专利,即在玻璃泡中充入了氮气,以通电的碳杆发光。在这之前,实际上已经有很多形状各异的白炽灯问世,但均由于造价高、照明时间短、外壳变黑等诸多问题没有投入大规模的使用。比如1840年,威廉·罗伯特·格罗夫(Sir William Robert Grove)将两段铜线分别接在铂丝两端并涂漆以绝缘,然后将作为灯丝的铂丝置于倒扣在水里的玻璃杯中,通过封闭的空间避免空气流对白炽状态灯丝的散热作用,同时减小氧气对铂丝的氧化作用。格罗夫爵士发明的这种白炽灯仅能发出较微弱的光,并且耗电量很大无法实现商业化。1841年,英国人弗雷德里克·德·莫林(Frederick De Moleyns)获得了世界上第一个白炽灯的专利。这种球形的白炽灯上部的管中装有炭粉,下端开口为两段铂丝不断提供炭粉,但随着炭粉在高温下蒸发,球形玻璃会迅速变黑,仍不能实用化。1860年,英国人约瑟夫·斯旺制成了碳丝电灯,但受到技术条件限制,当时他未能创造可以使灯丝持续工作的良好真空环境。1872年时科学家罗迪金(Lodyguine),发明了一种以V形石墨作为燃料并充氮气的白炽灯,由于这种白炽灯运行费用高且寿命较短(12小时),这个项目也以失败而告终了。

  从左到右分别为格罗夫、莫林、罗迪金发明的电灯

  按时间线插一嘴,1859年,法国人普兰特,发现直流电通过浸在稀硫酸中的两块铅板时,在这两块铅板上能够重复地产生电动势,以此制成了铅酸蓄电池,为世界上第一个可充电电池。

  接着说爱迪生拿到电灯专利后,对其进行了改良,并还要发明一套完整的电力系统,像煤气一样,能够向用户提供电力。他成立了爱迪生电力公司,并借助19世纪70年代末和19世纪80年代初世界上装备最精良的私人工业研发室——门罗帕克实验室,改良了电话,发明了留声机,研发了商业电灯和电力系统(直流电系统)。爱迪生电力公司当时总资本为300,000美元,爱迪生授予该公司美国北部和南部电灯专利的独家控制权。作为回报,他获得了250,000美元的公司股票,30,000美元的实验费用,以及额外的100,000美元,在保证最低15,000美元年薪的前提下,收取该公司出售的每盏灯5美分的版税。这个年代的时候,直流发电机和电动机的已经具备应用条件了。1881年,第一个陆基照明系统在纽约的印刷商公司落地,同年爱迪生开始兴建全美第一座直流发电厂。该直流供电系统原定的输电范围约是1.6公里,后来根据实际情况,范围缩小到以珍珠街发电厂为中心的1公里区域。仓库经过改造后,一楼装设4座大型的煤炭锅炉,提供驱动发电机的加压蒸汽。发电机安装在二楼,重达21吨,可以产生100kW的电,足够为1200个电灯提供电力。

  1882年,摩根决定在自己麦迪逊大街的高档豪宅中展示爱迪生的照明系统,6月7日晚,摩根豪宅灯被电灯点亮。在摩根这一举动的推动下,1882年秋天,直流电经地下电缆输送到预先签约的59位客户楼房中,纽约成为了第一个由白炽灯点亮的城市。为保持各个用户能够安全稳定的使用电灯,防止灯丝因电压过高而烧断,因电压过低而亮度不稳,爱迪生选择了110kV的直流电压作为传输电压。截止1883年春,爱迪生共售出330个独立系统,为64000多盏灯供电。

  随着直流系统如火如荼地建设,其输电距离近的缺点也越来越凸显出来,电能只能有效地传输到离中央电厂不到2公里的区域,超过这个范围电压便会大幅度降低。爱迪生的直流系统要服务于整个纽约市,就必须建造数十座电厂,对纽约这种地价高昂的城市来说不现实。

  若要升高传输电压,仅能通过串联直流发电机实现,而正如上文提到的直流发电机体积巨大,且需要考虑灯丝烧断的问题,因此输电距离严重地受到限制,直流升压不易实现。为了降低线路损耗,就要采用较粗的铜线。铜,是电力工业不可缺少的原料,但是1887年铜价突然提高,从每磅10美分提高到每磅16美分,这对直流供电系统产生了相当大的影响。

  1882年,法国科学家戈拉尔和英国人吉布斯一起申请了交流配电系统专利,利用变压器交流电可以很方便的完成升压,高压电可以传输到更远的距离,而后降压供用户使用。交流的出现有效地解决了供电距离问题,而说到交流,就不得不提到两个人:威斯汀豪斯和特斯拉。

  尼古拉·特斯拉于1884年6月初乘坐“里士满城”号轮船抵达纽约,当特斯拉踏上曼哈顿土地时,自由女神像还在建设中,此时爱迪生第一家使用电力的工厂在珍珠街开张也仅有两年。达到美国的第二天,28岁的特斯拉就去拜见了37岁的爱迪生。此时爱迪生的总部位于纽约第五大道65号,他不屑于特斯拉对数学的依赖,还炫耀自己并不在意科学理论。尽管二人初次见面的情形并不完美,但是当天下午爱迪生还是聘用了特斯拉,让其维修“俄勒冈”号轮船上的照明系统。

  在开始工作后的6个月之内,特斯拉共设计了20多种机器,用以替代爱迪生旗下各家公司原来效率不高的旧机器,节省了大量金钱。但无论特斯拉如何推荐交流技术,爱迪生都不感兴趣。两人最终的分道扬镳源于一个未兑现的承诺,特斯拉认为他可以大力提升爱迪生发电机的功效,爱迪生承诺如果有人能成功提升发电机效率,则给予其5万美元的奖励,半年后(大约在1884年12月初),特斯拉真的将玛丽安型发电机功率提升了3倍,但爱迪生拒绝支付5万美元,并称其不懂美国人的幽默。尽管爱迪生仍提出了55%的涨薪,但这也没能挽留特斯拉离开的脚步。

  有人对直流系统感兴趣,就也有人把宝押在交流系统上,乔治·威斯汀豪斯(George Westinghouse)就购买了很多包括感应电机、变压器在内的专利。了解到特斯拉关于交流电机的多项发明后,他先后派遣了自己的法律顾问和技术专家前去调研,两位专家都认为特斯拉电机是他们见过的最好。1888年7月中旬,特斯拉将20多项专利卖给了西屋公司(就是现在耳熟能详的西屋电气公司),获得了150股股权与2.5美元每马力的专利费,并被邀请至匹兹堡进行下一步的发明研究。威斯汀豪斯也是一个伟大的发明家,他拥有400多项专利,大部分与铁路制动相关。

  直流输电系统与交流输电系统从发明之初就存在竞争关系,直到1880年后期,交战结局仍不明朗。爱迪生与他背后的金主们掌握了绝大多数项目和资金,而特斯拉和威斯汀豪斯则拥有他们认为的更高效更强大的电力系统。但是两种电力方式都还要与天然气公司竞争。

  威斯汀豪斯在1888年曾邀请爱迪生到匹兹堡的实验室参观,但爱迪生断然拒绝了威斯汀豪斯的邀请。1890年,爱迪生发起了一场针对交流电的大规模公关活动,包括发表一份长达84页的谩骂文章,大肆抨击威斯汀豪斯。威斯汀豪斯则用他的一本电力手册予以回应,指责爱迪生自己糟糕的安全记录,说明爱迪生公司的直流中央电站失火事件频发。

  至此,这场战争向着更毛骨悚然地方向发展了,爱迪生联手他的生意伙伴哈罗德·布朗在一场公开展示活动中使用交流电电死了一条狗,此后布朗又连续在50多只不同的动物身上继续这种实验,其中包括狗、猫、小牛与马等动物,旨在宣传交流电满足作为电刑介质的各个条件。在一系列残酷演示的配合下,爱迪生向纽约立法当局建议使用交流电执行电刑,他甚至亲自勾勒了具体的电刑步骤。最终他的说客们说服了纽约州政府,在纽约的两座州立监狱设立了电刑椅。目击过第一场电刑的见证者被死刑犯身体着火的场面吓得不清,《纽约时报》报道说:“恶臭让人无法忍受。”这场行刑使公众舆论转而反对爱迪生的主张和做法,爱迪生的言论让他陷入了尴尬的境地。

  特斯拉由撰文介绍自己的发明开始进入了这场辩论。1891年2月,特斯拉在《电力工程师》上详述了交流电安全长距离传输的全过程,随后爱迪生与他在一系列行业杂志的读者来信栏目中展开激辩,从冬天一直持续到第二年春天。

  为了使公众更清晰地认识交流电,同年5月,特斯拉在纽约哥伦比亚大学,为美国电机工程学会做了演讲。特斯拉的演讲与现场演示令与会的实验者、记者和金融家为之倾倒。为了揭穿爱迪生关于交流电危险的说法,特斯拉将几千伏的交流电通过他的身体,使他的指尖释放出细小的火花,而发明家自己却安然无恙。

  于是这位腼腆的发明家名气越来越响,而他又不得不面对那些合法竞争者的冒犯。1892年特斯拉决定到欧洲游历以捍卫自己的专利权益,同时向欧洲的制造商推销自己的发明。1893年2月,西屋公司售出的交流电系统所供电的照明设备总量已是爱迪生的13倍。

  西屋电气公司交流电系统宣传单

  在特斯拉进行各类演讲时,爱迪生电灯公司等各家公司被整合成“通用电气公司”(就是现在的General Electric Company,简称GE),一直与特斯拉竞争交流电机专利的汤姆森-休斯敦公司,也在1892年被通用电气收购。爱迪生在新公司董事会中保留了一席之地,但新公司“通用电气公司”的名称中不再有他的名字出现,这一巨大的变化令他备受打击。在这一阶段,特斯拉在交直流之战中似乎在公共关系方面更胜一筹,但没有了爱迪生的通用电气则赚了个盆满钵满。双方最终的决战将于1893年纪念哥伦布登陆美洲大陆400周年的芝加哥世界博览会上演。

  由于通用电气公司的报价高得离谱,芝加哥世博会所有电灯及电动机的供货与运维被西屋公司以通用公司报价的一半中标,并且没有使用爱迪生的白炽灯专利,而是应用了一种由特斯拉与西屋工程师们共同开发出的二段式电灯。

  电灯并不是西屋面对的唯一挑战,芝加哥方面要求的东西规模庞大,西屋电气-特斯拉团队将电动机和变压器升级换代,同时扩大了十多台发电机的功率。升级完成后,一名工程师可以操纵这个那个世博园区的40条不同电路。

  无论是旅游者还是科学家在离开世博园的时候都深信,能源的未来属于电,而电的未来则非交流电莫属。世博会结束之后,80%在美国国内订购的电器都属于特斯拉的设计,交流电逐渐锁定电力之战的胜局。

  凭借这一胜利,威斯汀豪斯和特斯拉转而寻求在尼亚加拉瀑布建设水电设施电巨大商机。1893年10月,西屋公司以一项大胆的计划赢得了尼亚加拉瀑布的关键合同。1896年11月16日,西屋推上尼亚加拉水电站电闸开关,终结了电力之战!

  但是戏谑的是,最后西屋电气还是没有干过通用电气,1998年,西门子出手买走西屋电气部门,1999年,CBS又将核能部门连同西屋电气的名字一起,卖给了英国核燃料有限公司。至此,那个叱咤风云的西屋电气已成一代工程师的记忆,而其曾经的基石,电气和核能部门则成了漂泊在外的孤儿。如果威斯汀豪斯泉下有知,不知该作何感想。不过虽然西屋的股权被分了,但是实力和规模还是在的,目前,全球近50%、美国近60%正在运行的商业核电站均采用了西屋电气的核电技术。

  此后,被出售给英国核燃料的老西屋电气依旧命途多舛,2006年它被迫出售,接盘侠是来自日本的东芝。在上个世纪,东芝一直是西屋电气的跟班,如今它控股西屋77%的股权,让日本的重工企业扬眉吐气。通用电气如今不光屹立美国电气、军工、工业、发电等各个领域,还在收购阿尔斯通一事中,让人真正了解了《美国陷阱》。