译者按语
    随着人类社会的发展，地球资源成为21世纪不得不面对的问题。本文介绍几个借助硅功率电子技术，智能化利用、管理和转换能源，解决人类共同面对问题的例子，读了可能为我们带来一些有益的启示。

    1999年，本杂志邀请我撰文展望未来的交通[1]。那篇文章描述在未来半世纪可以从容地采用天行者（图1）。然而，今天的能源和全球变暖问题催促联邦政府应当考虑加快开发步伐。

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图. 1. 美国宇航局埃莫斯研究中心的实际尺寸天行者原型车。统一模型系统有限责任公司与美国航天局埃莫斯研究中心和单周期控制公司合作，在加州山景城的美国宇航局埃莫斯已建成一台在短距离无源磁悬浮导轨上运行的实际尺寸天行者原型车。目前统一模型公司还有一笔多年的联邦运输部赠款，帮助推进我们星球的节能技术。增加政府投资可以借助系统级示范推动应用发展。

I. 引  言
    过去的电子学已经改变了世界，但只有一半。今天的通信和信息技术是二十一世纪的，但我们的运输和能源技术不是。在等公交车的时候，我们可以使用微博跟踪包裹或在线监测电网，但地面交通和电力电子的物理实现一百年内没有根本改变。
    这些未来即将发生变化。对于信息技术晶体管运行非常微小的信号，对于能源技术晶体管要运行非常大的功率。感谢大功率晶体管，大多数的机械动力最终会被更可靠、更有效的电力所替代。
    正像一代人用汽车取代马匹，一代人用互联网迅速取代了蜗牛般的邮寄信件、报纸、传真、图书馆，在你们这一代电力将取代机械传动。现在一些工具已是有效的。关键部件是大功率晶体管--肌肉，实时控制器--大脑：可靠、灵活的控制器，它可以快速对动态变化环境产生响应。
    本文介绍几个电力电子学取代机械学带来益处的例子，包括天行者--硅基运输系统。然而，新的电力电子学有远比天行者自身更广的应用领域。多种分布式电源输送到电网正面临挑战，但天行者的电力电子技术合作伙伴，单周期控制公司，加州理工学院和加州大学欧文分校派生的公司，已展示出如何用灵活的功率控制来帮助解决这个问题。有趣的是，单周期控制公司用没有数字信号处理或微处理器的软件完成这些工作。这个软件是零行代码程序，在软件开发时间和所产生的低错误数方面是其它软件难以企及的。

II. 大功率晶体管令人兴奋的应用
    大功率晶体管(例如，绝缘栅双极晶体管)和灵活的功率转换技术对除我们高速硅基天行者个人/大众运输系统之外的许多重要领域都有深远意义。太阳能、风能、径流式梯级微水力发电、地热能、生物群体等所产生的电力不具有住宅或商业工业客户可直接使用的形式。它必须转换成合适的相位、电压、频率。通过在源头启用成本效益好的局部转换器转换能量，先进的电源转换技术可显著减少对巨大昂贵的集中使用复合式建筑群转换电力的需要。即使是小的具有环保意识市政当局和绿色能源企业家，现在也可以经济地制造出自己的多源、完全可再生、完全符合标准的清洁电力。

A. 卡车、机车和船等的原动力
    像卡车、机车和船的动力都使用窄功率带发动机。每个人都很熟悉司机加快发动机转速和反复变挡声音。功率晶体管和灵活的电子控制系统可以消除齿轮箱、改善效率、提供更宽的运行功率范围。

B. 风力涡轮机和微型水力发电机
    风力涡轮机使用“硅齿轮箱”替代机械齿轮箱将以更高的效率和更低的维修成本提供更大动态范围的功率。大型风力发电机组将不再浪费慢风产生的潜在的数以百计的千瓦电力。低于兆瓦的径流式梯级水利发电机可以为全球范围内成百上千无法获得电网的地方提供电力[5]。

C. 电网2.0
    电机的瞬变、不平衡无用功负载和传统有源电源等都会导致电网污染和低效。在许多情况下，所需的无功电流会使必须通过电网流动的电流增加约20％。通过将局部无功功率送到用户，甚至可以在家里恢复容量损失和分布损失。
    过去半个世纪的信息技术革命使我们从昂贵的中央主机电脑移动到分布式廉价微处理器。 “电网2.0”让我们从众多固定发电厂和不灵活基础设施逐渐变到各种各样分布和多样化的电源。新的能源技术革命有希望使客运和货运更加快速和简便、更加节省能源并显著减少温室气体排放。

D. 天行者硅基运输
    我们国家（乃至世界）非常关注环境、降低运输成本、消除化石燃料的消耗、简单使用生活中各方面的点滴能量。天行者的运输和电网2.0的能力可以实现这些目标，并提高整体生活质量。天行者使用单人尺寸的流线型和全计算机控制的车辆。像一辆出租车，您作为一个乘客（非司机）乘坐在建筑于地面上的1英尺宽“导轨”上，让您放心地与地面交通分离。像一条高速公路，一个具有“出口”和“入口”的不间断的高速导轨使您进入或离开天行者脱线站点。这些脱线站点对于直达高速旅行是必不可少的。
    在每个脱线站点，将总有空的天行者车辆供应。这意味着您不必等待、可以立即登车，没有时间表的麻烦、节省您更多宝贵的时间。天行者系统采用被动的磁悬浮形成一种不接触导轨、消除重大维修费用、无轮胎和齿轮的运输方式。磁悬浮车具有比轮式车辆更高的速度，并提供一个顶级安静和平稳流畅的旅程。
    因特网允许具有比经典电话网络使用的电路开关方法更大的吞吐量和更好的连通性。天行者是一个完全类似的、作为交通工具的东西--单独转换的天行者车辆，而不是单一目的地的火车。它是非直观的运输，通过携带少量人员不间断、点对点地提供比大型车辆（如频繁停泊的火车和公共汽车）更大的吞吐量和更好的连接性。因此，巨大的小时乘客(和货物)容量造成的高峰时刻拥挤将一去不返。值得注意的是，如果用功率电子学消除美国电网无功损耗，节省的电力足够使全国范围内的天行者系统运行。
    与此同时，天行者导轨自然成为电网2.0的导管，为社区提供运输和配送没有无功损耗的电力。这些开发是同时进行的。
    天行者仅用一个基本部件--车厢本身代替汽车成千的运动部件。它的轻巧双人车厢悬挂在含有无源磁悬浮和直线电机的导轨上。非接触式、电磁场、计算机控制的开关取代车辆的传统机械切换。
    消除几乎所有的汽车机械零件使我可以设计出一辆很轻，约200磅（91公斤）的车，因此与80000磅（36吨）重载卡车的公路设计比较，导轨和支持体需要较少的材料和施工时间。所有这些节省将进一步导致天行者车辆体积缩小，加上具有最佳的流线造型，极大地降低了空气阻力。这种机械车体显著减小的结果带来革命性变化：在每小时100英里（160公里/小时）时有200英里/加仑（1.2 L/100公里）的燃油经济性；超轻导轨由标准电线杆支撑，导轨像一条高速公路一样承运许多乘客；非凡的安全性和便利性。由于天行者能量效率比汽车高一个数量级，并使用电网供电而不是液体燃料，它的电力需求完全可能由可再生的资源满足，如太阳能，风能，生物质能，和径流式梯级水电。
    规划城际旅游用的天行者每小时150英里，这个速度有另一个巨大好处。目前，国内机场航班的60％都在500英里行程之内。由于更短的门对门往返时间和更低的成本，有60％可以由一站式时速150英里的天行者取代。这将节省大量的化石燃料能源和减少二氧化碳排放。同时，这将从根本上改善低效的枢纽-辐射式机场架构。天行者将显著降低与人员及少量货物运输相关的石油消费量和碳排放。其导轨动力车辆即不使用沉重的电池，也没有液体燃料，他们可以使用送入电网的任何能源。
    用天行者取代美国每年汽油动力汽车行驶的3万亿英里的一半[2]需要额外增加200太瓦-小时电力。这会增加全美国6%的电力需求，但同时消减全美国外国进口石油的70%[3],[4]。
    汽车目前在以每年3630亿美元消费成本（每加仑2.77美元;每公升0.73美元）每天消耗3.6亿加仑汽油（14亿公升）[5]。在今后15年用天行者取代车辆行驶路程的一半，将节省约2.7万亿美元。主要进行货运的柴油燃料每天消耗1.4亿加仑（5.3亿公升）。通过将小体积货物直接运送到当地商店，相同的天行者运输基础设施可以减少卡车运输的50％，在柴油燃料方面额外节省1万亿美元。不仅是节省巨额资金，而且这也意味着1.4万亿加仑的化石燃料（5.2万亿升）不会被烧毁，从而消除相应的碳排放。
    由于高速行驶时功耗低，天行者运输系统的电力可以完全由各种各样的现有形式的可再生能源提供[6]。对于美国过去的50年，使用各种形式公共交通系统的人数不断减少，而汽车的普及和造成的道路拥堵在飙升。像每小时100英里不停断、低能耗、低用户成本、点对点实用交通工具这样的天行者车是可以保证消除所有城市交通挤塞并大幅降低与车辆有关死亡的唯一解决方案。可以想象这对于每个人的生活质量意味着什么。

E. 低成本进入太空
    发射卫星进入轨道需要大量的能源。无源磁悬浮与瞬变高功率技术结合可以产生一种非常低成本的新一代轨道发射系统。绿色、全电动、完全重复使用的第一阶段推动将大大降低发射地球轨道运行的非载人有效载荷的成本。
    几十年来，航天工程师已经讨论了一些关于如何通过在登山铁路系统上运行第一阶段移动车，将有效载荷送入地球轨道便宜的设想。这是因为所有火箭推进剂几乎有一半是用于使有效载荷达到5万英尺（15000米）的高度和1.8马赫（1200英里/小时）的速度[7]。本文讨论的灵活电源转换技术对于这种发射概念是重要的。同时，高超声速吸气式车辆正在测试并接近开花结果[8]。
    如果我们建设磁悬浮发射滑轨，绵延数英里，有夏威夷火山的坡度将会怎么样？灵活的大功率电子系统和精明的控制能够顺利地将有效载荷加速到超音速，在那里由超音速燃烧冲压发动机接管，将有效载荷加速到特超音速并超出99%的大气(10.5万英尺，3.2万米)。然后，一个低成本的小火箭在第三阶段将有效载荷送入轨道，超音速燃烧冲压发动机返回以备重复使用。在超音速燃烧冲压发动机离开磁悬浮移动车后，因为磁悬浮移动车最初被减速以及反向滑行下山为一小时后再次发射，所以磁悬浮移动车通过再生制动可能返回他们的动能和势能。
    以非常低的成本将轻有效载荷发射到轨道的能力将转变卫星设计评判标准。由于每次发射不再需要花费数百万美元，因此可以放宽对卫星超级可靠性和相关费用的要求。这将使通信卫星和低成本零重力机械制造能够有更快的技术进步。一个主要的候选应用：天基光伏电站可以24小时不间断地提供清洁的太阳能电力。
    我相信这种技术将产生以低成本步入空间的方式。由于硅基基础设施的巨大潜力能够解决许多我们当前的问题，所以我们必须现在就采取行动。现在正是政府和业界携手加强推动和促进这些重要技术[*]的时候。

[*].欲了解更多内容，可以访问相关网站。

致 谢(略)

参考文献(略)

(译文)