从火的控制到现代能源体系

主线距今约 100 万年前起出现可控火使用的考古证据

主线：把自然火变成可控热源

燃料、空气和炉膛让火能够在指定地点持续，为之后的陶器和冶金提供稳定热量。

火的控制

点燃、维持、调节和利用火焰，把环境中的燃烧转化为可重复的热源。

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支线古代已出现；近代工业化前后成为冶金燃料

支线：先控制燃料，再控制炉温

木炭制备把燃料转化为工艺变量，提高燃烧稳定性并支持还原性炉窑。

木炭制备

在缺氧或低氧条件下加热木材，获得更高固定碳含量和更适合高温燃烧的固体燃料。

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汇合点公元前 5 千年起出现早期金属冶炼；青铜时代形成规模化炉坊

汇合：火的控制进入材料生产

冶炼把受控热量、燃料和风量组合起来，从矿石得到铜、青铜和铁等可加工材料。

金属冶炼

用受控高温和还原性环境从矿石中提取金属，并通过熔炼、铸造或锻造获得可用材料。

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主线18 世纪改进并进入工厂、矿山和交通

主线：热能变成连续机械功

蒸汽机把燃烧热转化为活塞或旋转运动，使动力脱离单个水流地点并进入矿山、工厂和交通。

蒸汽机

把锅炉产生的蒸汽压力转化为往复或旋转机械功的热机。

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主线1831 年发现；19 世纪后期形成自激发电机

支线：找到机械与电能的共同接口

电磁感应提供了把旋转运动变成电流的原理，蒸汽、水流和风力因此可以共享发电路径。

电磁感应

导体切割变化磁通时产生电动势，把机械运动与电流联系起来的物理原理。

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汇合点19 世纪由磁电机发展为可实用化的自激发电机

主线：用发电机统一不同动力来源

发电机把蒸汽机等原动机的机械功转换成可输送的电能。

发电机

利用电磁感应把旋转机械功转换为电能的装置。

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主线1839 年发现光伏效应；1954 年硅光伏电池具备实用发电能力

支线：材料技术直接采集太阳能

光伏电池跳过锅炉和旋转机械，用半导体材料把光直接转换为电；它随后需要逆变器和电网来消纳。

光伏电池

利用半导体光伏效应把太阳辐射直接转换为直流电的器件。

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汇合点1882 年中央电站出现；19 世纪末形成可扩展的交流输电体系

汇合：发电技术进入现代能源体系

电网把集中式和分布式发电接到负荷，并用输电、保护、通信和调度维持供需平衡。

电力系统与电网

由发电、变电、输电、配电、保护和调度共同组成的电能供需系统。

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现代能源体系并不是单一能源替代另一种能源，而是把热、机械、电磁感应、半导体和网络化调度接成同一个系统。

参考资料

United States Electricity Industry Primer

URL: https://www.energy.gov/sites/default/files/2015/12/f28/united-states-electricity-industry-primer.pdf