崔巧鳳

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

本文對(duì)終端用戶的家用電器電源進(jìn)行分析，根據(jù)用戶需求討論直流電在未來(lái)發(fā)展中的作用，結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步探討直流電對(duì)電網(wǎng)重構(gòu)的影響，提出家用電器推廣直流安全用電的思路，推動(dòng)社會(huì)廣泛應(yīng)用直流電器設(shè)備，為新能源的利用打開新的應(yīng)用場(chǎng)景，助力新能源革命。

1 基礎(chǔ)概念

1）直流電的特性

直流電是大小和方向都不隨時(shí)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(qiáng)度與方向都隨時(shí)間做周期性變化的電流叫做交變電流，簡(jiǎn)稱交流電。

3）家庭用電的直流化

本文分析家庭用電設(shè)備的電源回路，根據(jù)市場(chǎng)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(chǔ)。因此，構(gòu)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(diào)節(jié)性能優(yōu)異的新家電產(chǎn)品。

2 電網(wǎng)的現(xiàn)狀（針對(duì)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(jí)，照明、電視、空調(diào)、洗衣機(jī)等普遍用380VAC或者220VAC，各類電器統(tǒng)一到這兩個(gè)電壓等級(jí)，通用性強(qiáng)，安裝簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的樓宇布線都是基于交流電網(wǎng)來(lái)設(shè)計(jì)的。

2）直流電網(wǎng)

家用小電器，路由器、手機(jī)、照明、電話等小功率設(shè)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(jìn)行電源的轉(zhuǎn)換，帶來(lái)了很大的不便。本文目的在于介紹直流電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)家用電器使用直流電，提出建設(shè)家庭直流電網(wǎng)的設(shè)想，在樓宇布線中考慮直流電與交流電在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)共存，最終過(guò)渡到獨(dú)立的直流電網(wǎng)。

3）太陽(yáng)能光伏發(fā)電

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

◇ 太陽(yáng)能光伏發(fā)電原理

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是指直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式，太陽(yáng)能電池通常由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，目前市面上光伏板效率已經(jīng)達(dá)到20.7%，隨著技術(shù)的進(jìn)步效率還會(huì)提高。

◇ 太陽(yáng)能光伏發(fā)電政策

國(guó)家新能源政策通過(guò)電費(fèi)補(bǔ)貼，光伏發(fā)電優(yōu)先上網(wǎng)等形式鼓勵(lì)家庭用電使用太陽(yáng)能，特別適合農(nóng)村市場(chǎng)。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(guó)家電網(wǎng)，增加家庭收入。

◇ 現(xiàn)有太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用

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

3 用電設(shè)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(shù)，存在交流電轉(zhuǎn)換為直流電的環(huán)節(jié)，通過(guò)技術(shù)革新，將整流和逆變環(huán)節(jié)去掉，代之以直流電網(wǎng)，將會(huì)大大簡(jiǎn)化家用電器回路，節(jié)約社會(huì)資源，以下以空調(diào)和洗衣機(jī)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(diào)的變頻壓縮機(jī)電機(jī)、室內(nèi)風(fēng)扇電機(jī)、室外風(fēng)扇電機(jī)三大核心電機(jī)都采用了功能強(qiáng)大的直流電機(jī)。首先，高效數(shù)字直流變頻壓縮機(jī)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)在于減少電流在工作中轉(zhuǎn)變次數(shù)，使電能轉(zhuǎn)化效率大幅提高；其次，數(shù)字直流變頻空調(diào)的風(fēng)機(jī)要采用數(shù)字電機(jī)。如果能夠給高效數(shù)字直流變頻設(shè)備提供直流電源，則可以節(jié)省整流環(huán)節(jié)，技術(shù)上是可行的。

變頻洗衣機(jī)產(chǎn)品具有節(jié)能、超低噪音、可變水流、高脫水轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)，最大的特點(diǎn)就是噪音低。變頻洗衣機(jī)的控制回路也是直流的，采用直流電源后，電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔，減少電子元件，提高性能的同時(shí)，電路可以設(shè)計(jì)的更緊湊。

2）家用小家電的直流化

家庭中普遍使用的手機(jī)充電器、路由器、LED等，都存在交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流的環(huán)節(jié)，這個(gè)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電子器件，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

3）工業(yè)用電設(shè)備直流化

工業(yè)設(shè)備現(xiàn)在還是以交流為主，隨著技術(shù)的進(jìn)步，直流電器設(shè)備得到廣泛應(yīng)用[2]，下面介紹直流電機(jī)的應(yīng)用。

直流電機(jī)是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)，當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；當(dāng)它作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

◇ 直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

① 可以實(shí)現(xiàn)平滑而經(jīng)濟(jì)地調(diào)速。

② 不需要其他設(shè)備的配合，只要改變輸入或勵(lì)磁電壓電流就能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

③ 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較大。

◇ 直流電機(jī)缺點(diǎn)

① 自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。

② 維護(hù)麻煩，維修成本高。

4 直流電網(wǎng)是直流電器設(shè)備發(fā)供用儲(chǔ)的平臺(tái)

構(gòu)建家庭直流電網(wǎng)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電后經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能與家用直流電器設(shè)備直連，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，減少轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）發(fā)電設(shè)備（太陽(yáng)能光伏發(fā)電）

太陽(yáng)能光伏電站加儲(chǔ)能，提供足夠強(qiáng)大的直流電能，構(gòu)成直流電網(wǎng)的電能供應(yīng)站。隨著光伏電站平價(jià)時(shí)代的到來(lái)，推廣太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)有很好的經(jīng)濟(jì)性。

2）供電網(wǎng)絡(luò)

圖1 家庭直流電網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)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(shè)備采用單一的電源參數(shù)，電源與設(shè)備匹配。從功率上分析，原有家用電器的設(shè)備功率不會(huì)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(shè)備

汽車電瓶、空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱、抽油煙機(jī)、照明等設(shè)備都有直流產(chǎn)品，性能更加優(yōu)異；手機(jī)、路由器、電話、等小家電應(yīng)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(shù)困難。

4）儲(chǔ)能設(shè)備（蓄電池）

目前仍以蓄電池儲(chǔ)能為主，機(jī)械儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等技術(shù)也在不斷改進(jìn)中，蓄電池技術(shù)的突飛猛進(jìn)已經(jīng)適用家庭儲(chǔ)能。

5）逆變器

用逆變器來(lái)平衡光伏發(fā)電的能量，光伏發(fā)電大于儲(chǔ)能和用電需求后，通過(guò)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(shì)

1）提高太陽(yáng)能發(fā)電的普及

太陽(yáng)能光伏電站與蓄電池儲(chǔ)能組合后，可以滿足家庭用電，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，利于光伏電站的發(fā)展。以農(nóng)村戶用5KW太陽(yáng)能光伏電站為例，配套蓄電池緩沖天氣變化對(duì)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(fèi)收益。

2）減少逆變和整流環(huán)節(jié)，節(jié)約社會(huì)資源

家用電器直流化以后，在電器電源設(shè)計(jì)方面更簡(jiǎn)化，節(jié)約材料。電動(dòng)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(shè)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(fēng)險(xiǎn)，有利于社會(huì)和諧。

6 變革后的弊端

交流電與直流電在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將共存，給大家的選擇帶來(lái)多樣性，使用起來(lái)更加復(fù)雜，適應(yīng)這些改革會(huì)有很大的困難，不過(guò)隨著國(guó)民素質(zhì)的提高，相信大家會(huì)逐步接受這些變革。

7 展望

未來(lái)家庭電網(wǎng)規(guī)劃——戶用光伏電站提供24VDC直流電，蓄電池儲(chǔ)能，形成穩(wěn)定的直流供電網(wǎng)絡(luò)，照明、家用電器、電動(dòng)汽車電瓶都從這個(gè)直流電網(wǎng)取電，構(gòu)成微電網(wǎng)，同時(shí)與市電并列，互補(bǔ)余缺。在這個(gè)系統(tǒng)中輸入的能量是太陽(yáng)能，輸出的是照明光能、汽車動(dòng)能、家用電器的動(dòng)能，是真正的綠色節(jié)能系統(tǒng)，全社會(huì)推廣后將會(huì)對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)產(chǎn)生很大的影響。