新能源时代直流电的变革

崔巧凤

（北部湾大学 电子与信息工程学院，广西壮族自治区 钦州 535011）

本文对终端用户的家用电器电源进行分析，根据用户需求讨论直流电在未来发展中的作用，结合太阳能发电发展趋势，进一步探讨直流电对电网重构的影响，提出家用电器推广直流安全用电的思路，推动社会广泛应用直流电器设备，为新能源的利用打开新的应用场景，助力新能源革命。

1 基础概念

1）直流电的特性

直流电是大小和方向都不随时间变化的电流，又称恒定电流。

2）交流电的特性

交流电定义：强度与方向都随时间做周期性变化的电流叫做交变电流，简称交流电。

3）家庭用电的直流化

本文分析家庭用电设备的电源回路，根据市场上家用电器的产品情况，看到直流、变频概念产品已经普及，为大规模使用直流家电提供了产品基础。因此，构建家庭直流电网，为新产品提供接入方便，利于推广节能或者调节性能优异的新家电产品。

2 电网的现状（针对家庭用电分析）

1）低压电网

小区电源一般由10KVAC或者6KVAC变为400VAC等级，照明、电视、空调、洗衣机等普遍用380VAC或者220VAC，各类电器统一到这两个电压等级，通用性强，安装简单。传统的楼宇布线都是基于交流电网来设计的。

2）直流电网

家用小电器，路由器、手机、照明、电话等小功率设备可以直接接入12VDC或者24VDC直流电源，但是目前还没有家庭直流电网，因此这些小功率家电都配置了充电器，进行电源的转换，带来了很大的不便。本文目的在于介绍直流电网的优势，鼓励家用电器使用直流电，提出建设家庭直流电网的设想，在楼宇布线中考虑直流电与交流电在较长一段时间内共存，最终过渡到独立的直流电网。

3）太阳能光伏发电

直流电网的直流电能来源于光伏电站，从根本上脱离交流转直流环节，得益于光伏发电的普及，太阳能光伏发电产生的电源是直流电，为构建直流电网提供了能量源头。

◇ 太阳能光伏发电原理

太阳能光伏发电是指直接将光能转变为电能的发电方式，太阳能电池通常由半导体材料构成，目前市面上光伏板效率已经达到20.7%，随着技术的进步效率还会提高。

◇ 太阳能光伏发电政策

国家新能源政策通过电费补贴，光伏发电优先上网等形式鼓励家庭用电使用太阳能，特别适合农村市场。光伏电站发出的电，采用自发自用余电上网的模式，余电出售给国家电网，增加家庭收入。

◇ 现有太阳能光伏发电的应用

太阳能光伏发电系统的组成部分：太阳能电池组件、接地、支架、逆变器、用户负载等组成[1]。地面光伏电站、工商业屋顶光伏电站、农光互补光伏电站、户用光伏电站等得到广泛应用，户用光伏电站布置在屋顶，不占用土地，安装简单方便，每年都有大量光伏电站建成投入运行。

3 用电设备直流化现状

1）家用大功率电器直流化

家用大功率电器逐步采用全直流变频技术，存在交流电转换为直流电的环节，通过技术革新，将整流和逆变环节去掉，代之以直流电网，将会大大简化家用电器回路，节约社会资源，以下以空调和洗衣机为例，介绍家用大功率电器直流化的可行性。

全直流变频空调的变频压缩机电机、室内风扇电机、室外风扇电机三大核心电机都采用了功能强大的直流电机。首先，高效数字直流变频压缩机的独特优点在于减少电流在工作中转变次数，使电能转化效率大幅提高；其次，数字直流变频空调的风机要采用数字电机。如果能够给高效数字直流变频设备提供直流电源，则可以节省整流环节，技术上是可行的。

变频洗衣机产品具有节能、超低噪音、可变水流、高脱水转速等特点，最大的特点就是噪音低。变频洗衣机的控制回路也是直流的，采用直流电源后，电路结构更简洁，减少电子元件，提高性能的同时，电路可以设计的更紧凑。

2）家用小家电的直流化

家庭中普遍使用的手机充电器、路由器、LED等，都存在交流电转换为低压直流的环节，这个转换环节就是大家常用的充电器，耗能较大、产品多样，经常遇到接头不合适的问题，如果家庭有直流电，则可以节约大量电压转换电子器件，从而达到节能的效果。

3）工业用电设备直流化

工业设备现在还是以交流为主，随着技术的进步，直流电器设备得到广泛应用[2]，下面介绍直流电机的应用。

直流电机是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机，当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；当它作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

◇ 直流电机优点

① 可以实现平滑而经济地调速。

② 不需要其他设备的配合，只要改变输入或励磁电压电流就能实现调速。

③ 直流电机的转矩比较大。

◇ 直流电机缺点

① 自身结构复杂，制造成本高。

② 维护麻烦，维修成本高。

4 直流电网是直流电器设备发供用储的平台

构建家庭直流电网，太阳能光伏发电后经过储能与家用直流电器设备直连，系统稳定可靠，减少转换环节，构建的直流电网系统更加节能环保。家庭直流电网模型结构如图1所示。

1）发电设备（太阳能光伏发电）

太阳能光伏电站加储能，提供足够强大的直流电能，构成直流电网的电能供应站。随着光伏电站平价时代的到来，推广太阳能光伏发电已经有很好的经济性。

2）供电网络

图1 家庭直流电网模型结构Fig.1 Home DC grid model structure

直流电分配，光伏电池组合12DC～600VDC任意组合，选取24VDC作为家庭用电，所有直流用电设备采用单一的电源参数，电源与设备匹配。从功率上分析，原有家用电器的设备功率不会增大，因此原有布线可以利用，用原有布线作为直流电网骨架。

3）用电设备

汽车电瓶、空调、洗衣机、冰箱、抽油烟机、照明等设备都有直流产品，性能更加优异；手机、路由器、电话、等小家电应用直流电更方便。因此，家用电器推广直流产品具备条件，没有技术困难。

4）储能设备（蓄电池）

目前仍以蓄电池储能为主，机械储能、压缩空气储能等技术也在不断改进中，蓄电池技术的突飞猛进已经适用家庭储能。

5）逆变器

用逆变器来平衡光伏发电的能量，光伏发电大于储能和用电需求后，通过逆变器将多余的电能提供给市电电网[3]。

5 变革后的优势

1）提高太阳能发电的普及

太阳能光伏电站与蓄电池储能组合后，可以满足家庭用电，减少对电网的冲击，利于光伏电站的发展。以农村户用5KW太阳能光伏电站为例，配套蓄电池缓冲天气变化对电网的影响，年发电量约7000度，平均每天发电19度电，照明采用LED灯，家用电器采用直流家电，每天用电约5度，剩余电量可以逆变上网，获得电费收益。

2）减少逆变和整流环节，节约社会资源

家用电器直流化以后，在电器电源设计方面更简化，节约材料。电动汽车电瓶可以直接与光伏电站连接，发电装置直供用电设备，最大化节约资源。

3）提高家庭用电安全性

采用24VDC直流电网后，电网是安全的，避免了人为触电后造成重大伤害的风险，有利于社会和谐。

6 变革后的弊端

交流电与直流电在很长一段时间内将共存，给大家的选择带来多样性，使用起来更加复杂，适应这些改革会有很大的困难，不过随着国民素质的提高，相信大家会逐步接受这些变革。

7 展望

未来家庭电网规划——户用光伏电站提供24VDC直流电，蓄电池储能，形成稳定的直流供电网络，照明、家用电器、电动汽车电瓶都从这个直流电网取电，构成微电网，同时与市电并列，互补余缺。在这个系统中输入的能量是太阳能，输出的是照明光能、汽车动能、家用电器的动能，是真正的绿色节能系统，全社会推广后将会对现有电网产生很大的影响。