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 欽州 535011）

本文對終端用戶的家用電器電源進行分析，根據用戶需求討論直流電在未來發展中的作用，結合太陽能發電發展趨勢，進一步探討直流電對電網重構的影響，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，根據市場上家用電器的產品情況，看到直流、變頻概念產品已經普及，為大規模使用直流家電提供了產品基礎。因此，構建家庭直流電網，為新產品提供接入方便，利于推廣節能或者調節性能優異的新家電產品。

2 電網的現狀（針對家庭用電分析）

1）低壓電網

小區電源一般由10KVAC或者6KVAC變為400VAC等級，照明、電視、空調、洗衣機等普遍用380VAC或者220VAC，各類電器統一到這兩個電壓等級，通用性強，安裝簡單。傳統的樓宇布線都是基于交流電網來設計的。

2）直流電網

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，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的優勢，鼓勵家用電器使用直流電，提出建設家庭直流電網的設想，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。

3）太陽能光伏發電

直流電網的直流電能來源于光伏電站，從根本上脫離交流轉直流環節，得益于光伏發電的普及，太陽能光伏發電產生的電源是直流電，為構建直流電網提供了能量源頭。

◇ 太陽能光伏發電原理

太陽能光伏發電是指直接將光能轉變為電能的發電方式，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達到20.7%，隨著技術的進步效率還會提高。

◇ 太陽能光伏發電政策

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

◇ 現有太陽能光伏發電的應用

太陽能光伏發電系統的組成部分：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節，通過技術革新，將整流和逆變環節去掉，代之以直流電網，將會大大簡化家用電器回路，節約社會資源，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，高效數字直流變頻壓縮機的獨特優點在于減少電流在工作中轉變次數，使電能轉化效率大幅提高；其次，數字直流變頻空調的風機要采用數字電機。如果能夠給高效數字直流變頻設備提供直流電源，則可以節省整流環節，技術上是可行的。

變頻洗衣機產品具有節能、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節，這個轉換環節就是大家常用的充電器，耗能較大、產品多樣，經常遇到接頭不合適的問題，如果家庭有直流電，則可以節約大量電壓轉換電子器件，從而達到節能的效果。

3）工業用電設備直流化

工業設備現在還是以交流為主，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（直流發電機）的旋轉電機。它是能實現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；當它作發電機運行時是直流發電機，將機械能轉換為電能。

◇ 直流電機優點

① 可以實現平滑而經濟地調速。

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 直流電網是直流電器設備發供用儲的平臺

構建家庭直流電網，太陽能光伏發電后經過儲能與家用直流電器設備直連，系統穩定可靠，減少轉換環節，構建的直流電網系統更加節能環保。家庭直流電網模型結構如圖1所示。

1）發電設備（太陽能光伏發電）

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，推廣太陽能光伏發電已經有很好的經濟性。

2）供電網絡

圖1 家庭直流電網模型結構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，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品，性能更加優異；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適用家庭儲能。

5）逆變器

用逆變器來平衡光伏發電的能量，光伏發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[3]。

5 變革后的優勢

1）提高太陽能發電的普及

太陽能光伏電站與蓄電池儲能組合后，可以滿足家庭用電，減少對電網的沖擊，利于光伏電站的發展。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的影響，年發電量約7000度，平均每天發電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，獲得電費收益。

2）減少逆變和整流環節，節約社會資源

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

3）提高家庭用電安全性

采用24VDC直流電網后，電網是安全的，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

未來家庭電網規劃——戶用光伏電站提供24VDC直流電，蓄電池儲能，形成穩定的直流供電網絡，照明、家用電器、電動汽車電瓶都從這個直流電網取電，構成微電網，同時與市電并列，互補余缺。在這個系統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，是真正的綠色節能系統，全社會推廣后將會對現有電網產生很大的影響。