随着直流电机、电力半导体、电能储存、可再生能源发电、燃料电池应用以及IT技术的发展,直流供电的优势不断显现,人们开始重新关注直流供电的前景。在欧美和日本等地,多年来由于缺乏直流家用电器的配套,使得诸如可再生能源发电、电力调峰储蓄等技术的效益难以充分发挥,也使得在技术上具备一定优势的住宅直流供电技术无法推广应用。虽然直流家用电器产品进入市场还需要解决一系列问题,但是直流家用电器全面取代交流家用电器的进程已经启动,在不久的将来,不仅会给家用电器生产行业带来重大和深远的影响,而且将成为影响全社会方方面面的技术发展趋势。
直流供电技术背景
1895年,采用特斯拉发明的交流电技术的电力设备,在尼亚加拉大瀑布上的世界第一座水力发电站将电力传输到35公里之外,结束了爱迪生发明的直流供电技术一统天下的局面,随后交流供电技术迅速全面取代了直流供电技术,而此后出现的家用电器也基本上采用交流电力驱动。上世纪末,随着直流供电技术的发展,尤其是电力半导体技术的发展,直流供电技术和直流电器产品克服了原有缺点,并在某些领域重新取得了技术经济优势。例如,采用高压直流输电技术可以高效、可靠地将电力输送到数千公里以外,而当年爱迪生的直流供电系统的覆盖半径仅为1公里左右;家用空调机组中压缩机若采用直流无刷电机驱动,其运行寿命可以与原有交流电机媲美,达到10万小时,而且效率更高、调节特性更好,而采用机械换向器的直流电机,其换向器的寿命最多达数千小时。
住宅供电方式的演变
长期以来,世界各国的住宅供电方式基本上均采用公共电网输送交流电力。随着一些国家、地区广泛应用分布式发电技术,使得在接近用户端设置一些规模较小的电站或热电联产电站并网成为可能。同时,热电联产、可再生能源发电等技术也在住宅中得到应用。例如,日本的EcoWill开发项目,将发电容量为0.8~2kW燃气热电联产机组安装在住宅,该类产品自2002年批量投放市场之后,目前每年新安装数量约5万台,其在欧美地区的销售情况也不错;而德国、日本以及一些欧洲国家实施了鼓励在住宅屋顶安装风力发电装置,或太阳能光伏发电装置的政策,这使得在部分住宅内既有电源又有消费电力的器具,甚至使得住宅成为了向公共电网供电的微型发电站。这种供电和用电情况的变化,给电网管理提出了新的课题。目前比较成熟的解决方案是微型电网(Microgrid)技术。
1999年,美国的可靠性技术解决方案协会(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions,CERTS)首次对微型电网在可靠性、经济性及其对环境的影响等方面进行了研究。到2002年,较为完整的微型电网概念被提出。CERTS对微型电网定义是:微型电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统,它可同时提供电能和热量;微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换,并提供必要的控制;微型电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元,并可同时满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。一般认为,世界上按此要求建设的微型电网是在2002年出现的。经过数年的发展,其中的一个分支就是在微型电网内采用低压直流供电措施。在住宅环境中,太阳能光伏发电装置和风力发电机输出的电力都是直流。2009年后,日本市场将开始销售燃料电池,其输出的电力也是直流。然而,在微型电网中,只有少数几种电器产品能够直接使用直流供电,如果向使用交流电力的器具供电,就不得不利用逆变装置。故此,缺乏相应的直流家用电器产品成为制约直流供电技术发展的关键。
直流生态住宅技术进展
在2007年日本电子展上,日本最大的太阳能光伏电池生产企业夏普公司提出了“直流生态住宅”概念。这一概念的最初方案是将太阳能电池及直流电与住宅能源管理系统(Home Energy Management System,HEMS)集成为住宅供电系统。从这个概念来看,直流生态住宅就是低压直流微型电网在住宅场所的具体应用。
时隔一年,在2008年日本电子展上,夏普公司和TDK公司分别展示了各自开发的住宅直流供电系统。夏普公司的基本配置是,太阳能光伏发电装置、蓄电池和直流供电管理装置,以及直流供电的冰箱、空调、电视机和LED灯等。不过,夏普公司对“直流生态住宅”作为未来生态住宅的规划,不仅限于供电方式的变化及能源利用效率的提高,其内涵还包括了节能技术、信息化技术等现代住宅要素的集成内容,并给其提出的“直流生态住宅”概念赋予三层含义,称为“3DC”。第一层含义是“直流(direct current)”,通过将住宅用电全部由交流(AC)转换成直流(DC),可以最大限度减少交流与直流之间的转换损耗。第二层含义是“减少CO2排放(diminish CO2 emission)”,提高住宅的隔热性和气密性,目的在于减少能源损耗,从而可以减少CO2的排放。第三层含义是“以显示器为中心(display centric)”,这层含义具有明显的“夏普色彩”,为了使消费者完全满意,直流生态住宅应当使用户乐于接受,而配备大屏幕显示器是重要的手段之一。
TDK公司展示的all DC eco-home(全直流生态住宅)包括太阳能光伏发电装置、小型风力发电装置、洗衣机、电动自行车、电动汽车充电装置、直流电机部件、可充电锂电池等。其中一个引人注目的展品是直流—交流变换电源模块,主要用于稳定供电;而正在开发中的双路交直流转换器,可以将过剩的直流电力转换为交流电力。
住宅直流供电技术在日本不断取得重要进展。松下电工公司宣布,将于2010年向市场推出家用“直流-交流混合布线产品”,包括开关、电源插座以及配电控制装置等,并正在开发家用直流供电系统。Panasonic公司已于2008年12月决定与三洋电机进行业务及资本合作,就其家用电器产品的发展方向,Panasonic公司董事总经理大坪文雄表示,将朝着管理整个住宅或整栋建筑物并可通过显示屏进行监控的方向发展。同时,Panasonic将发挥在燃料电池上的优势,并利用三洋电机在太阳能电池领域的特长,以及双方均擅长的锂离子充电电池等领域的优势,形成能源管理的新优势。
日本东北大学与NEC东金、住友商事和积水建房合作,成功地进行了将太阳能电池输出的电能储存于锂离子蓄电池中,再以直流形式向家用电器直接供电的试验。在试验中,液晶电视、DVD播放器、室内LED照明灯及室外LED照明灯4种家用电器产品工作正常。这是日本环境省温室效应对策技术开发计划中,名为“微能量蓄电型环保房屋节能技术开发”的子项目。该项目还将着手进行微弱能量的回收与再利用,例如,利用在澡盆排水沟中安装的水车进行水力发电,利用吹过房间的微风进行风力发电,利用自行车健身器进行人力发电等,并把这些电力储存在锂离子蓄电池中。
在日本横滨已经出现了在车库配备室外充电插座的标准住宅,有人认为电动汽车由此已步入了家用电器的行列,如此类推,电动自行车也应成为家用电器的一个品种。在全球气候变暖问题日趋严峻和能源价格不断高涨的背景下,在车库内停放电动汽车,在屋顶铺设太阳能电池板,成为日本新型能源技术普及的趋势。如果利用电动汽车的蓄电池暂时储存家庭用电力,将克服太阳能发电在恶劣天气无法正常发挥作用的缺点。日本东京工业大学在2008年启动了太阳能发电以及电动汽车蓄电实验,利用来自太阳能电池的电力为电动汽车充电,然后测试电动汽车的使用情况,同时还将对快速充电装置进行测试。
与此相对应,在太阳能光伏发电装置无法输出电力的夜间以及不良气候条件下,如何将储存于汽车的电力引入家庭内使用,则是另外一个重要课题。随着蓄电池技术的发展,新型车用锂电池的安全性和可靠性得到显著提高,克服了以往用于移动电话等小型设备中的锂电池容易发热和着火的弱点,从而使得住宅调峰蓄电技术在不久的将来可以投入实际应用。在日本,住宅用户在深夜电网负荷的低谷时段的电价,大致为白天电网负荷高峰时段的15左右,目前主要采用的方式是利用电热水器或热泵热水器在低电价时段进行蓄热运行。住宅调峰蓄电技术实际上是在住宅中用蓄电池将电网负荷低谷时段的廉价电力转换为直流电后储存起来,在采用直流供电方式的住宅中,从电池输出的直流电不再需要通过逆变转换成为交流电,就可以直接向直流家用电器供电。
值得一提的是,电信网络的数据中心和计算机中心机房等IT系统是供电方式从交流向直流转变进展较快的行业,全世界有约30家相关企业参与IT设备直流供电技术的联合试验研究,预期仅采用直流供电技术就可以使相应的IT设施节约高达20%的电力消耗。
直流生态住宅项目
日本经济产业省在2008年启动了DC eco-house(直流生态住宅)开发项目,目标是在住宅中采用直流供电方式,并全面使用直流家用电器。目前,有关机构正在制订实施的细则,包括利用经济手段鼓励住宅供电技术的开发和推广应用。
日本政府计划,到2020年,在新建住宅中有超过一半的屋顶安装太阳能光伏发电装置,以降低对进口石油、天然气等矿物能源的依赖程度。光伏发电系统是以直流方式输出电能,而现有家用电器基本使用交流电源,因此需要将直流电通过逆变转换为交流电,在此转换过程中将损失5%~10%的电能;然而,实际上许多家用电器是使用直流电,这类产品通常都要配备将交流电经过整流后转换为直流电的电源装置,在此转换过程中也将损失5%~10%的电能。电视机、计算机等IT类产品必须用直流电驱动,而近年由于节能技术的发展,一些节能型的房间空调器、冰箱、洗衣机等高能耗器具,也需要配备将交流电转换为直流电的电源装置。据分析,如果在日本住宅中普及直流家用电器,仅电能转换过程中的能耗减少就能达到10%~20%。