新能源時代直流電的變革

崔巧鳳

（北部灣大學 電子與信息工程學院，廣西壯族自治區(qū) 欽州 535011）

本文對終端用戶的家用電器電源進行分析，根據(jù)用戶需求討論直流電在未來發(fā)展中的作用，結合太陽能發(fā)電發(fā)展趨勢，進一步探討直流電對電網(wǎng)重構的影響，提出家用電器推廣直流安全用電的思路，推動社會廣泛應用直流電器設備，為新能源的利用打開新的應用場景，助力新能源革命。

1 基礎概念

1）直流電的特性

直流電是大小和方向都不隨時間變化的電流，又稱恒定電流。

2）交流電的特性

交流電定義：強度與方向都隨時間做周期性變化的電流叫做交變電流，簡稱交流電。

3）家庭用電的直流化

本文分析家庭用電設備的電源回路，根據(jù)市場上家用電器的產(chǎn)品情況，看到直流、變頻概念產(chǎn)品已經(jīng)普及，為大規(guī)模使用直流家電提供了產(chǎn)品基礎。因此，構建家庭直流電網(wǎng)，為新產(chǎn)品提供接入方便，利于推廣節(jié)能或者調節(jié)性能優(yōu)異的新家電產(chǎn)品。

2 電網(wǎng)的現(xiàn)狀（針對家庭用電分析）

1）低壓電網(wǎng)

小區(qū)電源一般由10KVAC或者6KVAC變?yōu)?00VAC等級，照明、電視、空調、洗衣機等普遍用380VAC或者220VAC，各類電器統(tǒng)一到這兩個電壓等級，通用性強，安裝簡單。傳統(tǒng)的樓宇布線都是基于交流電網(wǎng)來設計的。

2）直流電網(wǎng)

家用小電器，路由器、手機、照明、電話等小功率設備可以直接接入12VDC或者24VDC直流電源，但是目前還沒有家庭直流電網(wǎng)，因此這些小功率家電都配置了充電器，進行電源的轉換，帶來了很大的不便。本文目的在于介紹直流電網(wǎng)的優(yōu)勢，鼓勵家用電器使用直流電，提出建設家庭直流電網(wǎng)的設想，在樓宇布線中考慮直流電與交流電在較長一段時間內共存，最終過渡到獨立的直流電網(wǎng)。

3）太陽能光伏發(fā)電

直流電網(wǎng)的直流電能來源于光伏電站，從根本上脫離交流轉直流環(huán)節(jié)，得益于光伏發(fā)電的普及，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生的電源是直流電，為構建直流電網(wǎng)提供了能量源頭。

◇ 太陽能光伏發(fā)電原理

太陽能光伏發(fā)電是指直接將光能轉變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式，太陽能電池通常由半導體材料構成，目前市面上光伏板效率已經(jīng)達到20.7%，隨著技術的進步效率還會提高。

◇ 太陽能光伏發(fā)電政策

國家新能源政策通過電費補貼，光伏發(fā)電優(yōu)先上網(wǎng)等形式鼓勵家庭用電使用太陽能，特別適合農村市場。光伏電站發(fā)出的電，采用自發(fā)自用余電上網(wǎng)的模式，余電出售給國家電網(wǎng)，增加家庭收入。

◇ 現(xiàn)有太陽能光伏發(fā)電的應用

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成部分：太陽能電池組件、接地、支架、逆變器、用戶負載等組成[1]。地面光伏電站、工商業(yè)屋頂光伏電站、農光互補光伏電站、戶用光伏電站等得到廣泛應用，戶用光伏電站布置在屋頂，不占用土地，安裝簡單方便，每年都有大量光伏電站建成投入運行。

3 用電設備直流化現(xiàn)狀

1）家用大功率電器直流化

家用大功率電器逐步采用全直流變頻技術，存在交流電轉換為直流電的環(huán)節(jié)，通過技術革新，將整流和逆變環(huán)節(jié)去掉，代之以直流電網(wǎng)，將會大大簡化家用電器回路，節(jié)約社會資源，以下以空調和洗衣機為例，介紹家用大功率電器直流化的可行性。

全直流變頻空調的變頻壓縮機電機、室內風扇電機、室外風扇電機三大核心電機都采用了功能強大的直流電機。首先，高效數(shù)字直流變頻壓縮機的獨特優(yōu)點在于減少電流在工作中轉變次數(shù)，使電能轉化效率大幅提高；其次，數(shù)字直流變頻空調的風機要采用數(shù)字電機。如果能夠給高效數(shù)字直流變頻設備提供直流電源，則可以節(jié)省整流環(huán)節(jié)，技術上是可行的。

變頻洗衣機產(chǎn)品具有節(jié)能、超低噪音、可變水流、高脫水轉速等特點，最大的特點就是噪音低。變頻洗衣機的控制回路也是直流的，采用直流電源后，電路結構更簡潔，減少電子元件，提高性能的同時，電路可以設計的更緊湊。

2）家用小家電的直流化

家庭中普遍使用的手機充電器、路由器、LED等，都存在交流電轉換為低壓直流的環(huán)節(jié)，這個轉換環(huán)節(jié)就是大家常用的充電器，耗能較大、產(chǎn)品多樣，經(jīng)常遇到接頭不合適的問題，如果家庭有直流電，則可以節(jié)約大量電壓轉換電子器件，從而達到節(jié)能的效果。

3）工業(yè)用電設備直流化

工業(yè)設備現(xiàn)在還是以交流為主，隨著技術的進步，直流電器設備得到廣泛應用[2]，下面介紹直流電機的應用。

直流電機是指能將直流電能轉換成機械能（直流電動機）或將機械能轉換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉電機。它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉換的電機，當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉換為機械能；當它作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉換為電能。

◇ 直流電機優(yōu)點

① 可以實現(xiàn)平滑而經(jīng)濟地調速。

② 不需要其他設備的配合，只要改變輸入或勵磁電壓電流就能實現(xiàn)調速。

③ 直流電機的轉矩比較大。

◇ 直流電機缺點

① 自身結構復雜，制造成本高。

② 維護麻煩，維修成本高。

4 直流電網(wǎng)是直流電器設備發(fā)供用儲的平臺

構建家庭直流電網(wǎng)，太陽能光伏發(fā)電后經(jīng)過儲能與家用直流電器設備直連，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，減少轉換環(huán)節(jié)，構建的直流電網(wǎng)系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保。家庭直流電網(wǎng)模型結構如圖1所示。

1）發(fā)電設備（太陽能光伏發(fā)電）

太陽能光伏電站加儲能，提供足夠強大的直流電能，構成直流電網(wǎng)的電能供應站。隨著光伏電站平價時代的到來，推廣太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)有很好的經(jīng)濟性。

2）供電網(wǎng)絡

圖1 家庭直流電網(wǎng)模型結構Fig.1 Home DC grid model structure

直流電分配，光伏電池組合12DC～600VDC任意組合，選取24VDC作為家庭用電，所有直流用電設備采用單一的電源參數(shù)，電源與設備匹配。從功率上分析，原有家用電器的設備功率不會增大，因此原有布線可以利用，用原有布線作為直流電網(wǎng)骨架。

3）用電設備

汽車電瓶、空調、洗衣機、冰箱、抽油煙機、照明等設備都有直流產(chǎn)品，性能更加優(yōu)異；手機、路由器、電話、等小家電應用直流電更方便。因此，家用電器推廣直流產(chǎn)品具備條件，沒有技術困難。

4）儲能設備（蓄電池）

目前仍以蓄電池儲能為主，機械儲能、壓縮空氣儲能等技術也在不斷改進中，蓄電池技術的突飛猛進已經(jīng)適用家庭儲能。

5）逆變器

用逆變器來平衡光伏發(fā)電的能量，光伏發(fā)電大于儲能和用電需求后，通過逆變器將多余的電能提供給市電電網(wǎng)[3]。

5 變革后的優(yōu)勢

1）提高太陽能發(fā)電的普及

太陽能光伏電站與蓄電池儲能組合后，可以滿足家庭用電，減少對電網(wǎng)的沖擊，利于光伏電站的發(fā)展。以農村戶用5KW太陽能光伏電站為例，配套蓄電池緩沖天氣變化對電網(wǎng)的影響，年發(fā)電量約7000度，平均每天發(fā)電19度電，照明采用LED燈，家用電器采用直流家電，每天用電約5度，剩余電量可以逆變上網(wǎng)，獲得電費收益。

2）減少逆變和整流環(huán)節(jié)，節(jié)約社會資源

家用電器直流化以后，在電器電源設計方面更簡化，節(jié)約材料。電動汽車電瓶可以直接與光伏電站連接，發(fā)電裝置直供用電設備，最大化節(jié)約資源。

3）提高家庭用電安全性

采用24VDC直流電網(wǎng)后，電網(wǎng)是安全的，避免了人為觸電后造成重大傷害的風險，有利于社會和諧。

6 變革后的弊端

交流電與直流電在很長一段時間內將共存，給大家的選擇帶來多樣性，使用起來更加復雜，適應這些改革會有很大的困難，不過隨著國民素質的提高，相信大家會逐步接受這些變革。

7 展望

未來家庭電網(wǎng)規(guī)劃——戶用光伏電站提供24VDC直流電，蓄電池儲能，形成穩(wěn)定的直流供電網(wǎng)絡，照明、家用電器、電動汽車電瓶都從這個直流電網(wǎng)取電，構成微電網(wǎng)，同時與市電并列，互補余缺。在這個系統(tǒng)中輸入的能量是太陽能，輸出的是照明光能、汽車動能、家用電器的動能，是真正的綠色節(jié)能系統(tǒng)，全社會推廣后將會對現(xiàn)有電網(wǎng)產(chǎn)生很大的影響。