建筑物中直流電應(yīng)取代交流電的5個原因

交流（AC）和直流（DC）電實際上是兩種不同類型的電。絕大多數(shù)電網(wǎng)都分配交流電，但交流電成為標(biāo)準(zhǔn)已有100多年了。從那時起，情況發(fā)生了很大變化。例如，現(xiàn)代建筑中越來越多的電力要么“以直流電形式消耗，要么在被消耗的過程中經(jīng)歷瞬態(tài)直流狀態(tài)”。由于這一點以及直流電的其他固有優(yōu)勢，許多專家一致認(rèn)為，在商業(yè)和住宅電力系統(tǒng)中采用直流電可以打造更安全、更舒適、更節(jié)能的建筑。

一項新的研究表明，專家們普遍認(rèn)為，在商業(yè)和住宅建筑中廣泛采用直流 (DC) 電力系統(tǒng)可能比交流 (AC) 系統(tǒng)更具有顯著優(yōu)勢。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于改變行業(yè)專業(yè)人士對直流電的看法，從而有可能帶來更安全、更可靠、更節(jié)能的建筑。

美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的布洛克·格拉斯戈 (Brock Glasgo)及其同事調(diào)查了來自各個行業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域的17名專家，確定了更廣泛采用直流電源系統(tǒng)的優(yōu)勢，同時也承認(rèn)了其潛在的挑戰(zhàn)。

我們社會的電力使用正在迅速變化。盡管可再生能源發(fā)電的發(fā)展使電網(wǎng)來源變得更加分散，但建筑物中現(xiàn)代電氣元件和設(shè)備的增加導(dǎo)致電力消耗穩(wěn)步增長。鑒于這些變化，許多科學(xué)家鼓勵在商業(yè)和住宅建筑中更多地采用直流配電。

格拉斯戈說表示，直流電源的應(yīng)用具有三個關(guān)鍵方面?！笆紫?，我們現(xiàn)在擁有基于半導(dǎo)體的電力電子設(shè)備，可用作DC-DC變壓器，并且?guī)缀跖c現(xiàn)代AC-DC和DC-AC變壓器一樣高效。其次，我們看到太陽能光伏發(fā)電和其他產(chǎn)生直流電的分布式發(fā)電源的安裝量持續(xù)增長。第三，現(xiàn)代建筑中越來越多的電力要么以直流電形式消耗，要么在消耗過程中經(jīng)歷瞬態(tài)直流狀態(tài)?！?/p>

對于一些人來說，這些優(yōu)勢證明同時采用交流和直流的電力系統(tǒng)正在變得過于復(fù)雜和過時?！巴ㄟ^分配直流電來消除不必要的直流-交流和交流-直流轉(zhuǎn)換不僅可以簡化我們的建筑級供電，而且還可以節(jié)省能源，”格拉斯戈說。

然而，盡管DC具有技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，但它的廣泛采用在其他領(lǐng)域面臨著重大障礙。通過調(diào)查，格拉斯戈說團隊發(fā)現(xiàn)了兩個最大的障礙：行業(yè)專業(yè)人士對DC不熟悉，以及市場上DC設(shè)備和組件的代表性不足。

“交流電網(wǎng)已經(jīng)存在了120多年，交流電所有物理組件、設(shè)計、維護(hù)、施工、運行以及最終用戶與輸配電系統(tǒng)的交互都基于悠久的歷史和物理原理?！备窭垢缯f。“向直流供電建筑的過渡將不僅僅取決于系統(tǒng)本身的技術(shù)可行性?！比欢?，專家們普遍仍對克服這些挑戰(zhàn)抱有希望。

格拉斯哥表示：“專家建議對工程師和電工進(jìn)行直流系統(tǒng)方面的培訓(xùn)，并確定直流配電相對于交流電具有明顯優(yōu)勢的利基用例，并建立試點項目，以幫助建立直流設(shè)備和組件的市場。”“負(fù)責(zé)直流電源系統(tǒng)的專業(yè)人員以及支持它們所需的市場需要經(jīng)歷重大轉(zhuǎn)型，然后才能使用[直流電源系統(tǒng)]來更高效、安全、可靠地滿足未來建筑的需求?！?/p>

交流電何時被選擇作標(biāo)準(zhǔn)？

直流電是由托馬斯·愛迪生發(fā)明的。愛迪生于1879年發(fā)明了一種可以持續(xù)14.5小時的白熾燈泡，并使用直流電為其供電。不久之后，當(dāng)尼古拉·特斯拉通過他的許多發(fā)明普及交流電時，交流電便開始出現(xiàn)了。特斯拉于1893年在芝加哥舉行的世界哥倫布博覽會上首次展示了他的交流電。特斯拉最終贏得了所謂的“電流之戰(zhàn)”，從此交流電一直被用作標(biāo)準(zhǔn)。

但自 19 世紀(jì)以來，技術(shù)、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生了巨大變化，這就引出了一個問題：交流電是否仍應(yīng)成為用電標(biāo)準(zhǔn)？

接下來，我們將簡要探討一下交流電和直流電之間的差異，以及這些差異對于考慮使用直流電為其建筑系統(tǒng)（如照明和HVAC）供電的建筑管理者和設(shè)計師意味著什么。

交流電和直流電有什么區(qū)別？

本質(zhì)上，直流電在電壓與時間的關(guān)系圖上沿直線（直接）傳播，這意味著它沒有頻率，并且其電壓保持恒定。而與之相反，交流電每秒交替極性50-60次（具體取決于你位于哪個地區(qū)）。這也意味著交流電的電壓隨著時間的推移并不恒定（它會增加和減少）。

所謂頻率，即交流電每秒完整交替的次數(shù)。下圖圖表直觀地顯示了在示波器上查看兩種類型的電流的情況：

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建筑物中使用直流配電的好處

1. 消除對低效電源轉(zhuǎn)換器的需求

如今，越來越多的現(xiàn)代設(shè)備使用直流電，包括LED燈、HVAC系統(tǒng)、筆記本電腦、微波爐等。事實上，直流消耗目前約占總能源負(fù)荷的32%，在擁有電動汽車和帶直流電機的HVAC設(shè)備的建筑物中，這一比例可能高達(dá)74%。目前，電網(wǎng)將交流電分配給家庭和建筑物，這意味著這些設(shè)備必須將獲得的交流電轉(zhuǎn)換為所需的直流電。

為了做到這一點，這些設(shè)備配備了驅(qū)動器和轉(zhuǎn)換器，在不考慮成本的情況下，它們的效率可以達(dá)到96%，但當(dāng)制造商削減生產(chǎn)成本時，首先要犧牲的就是效率。這意味著制造商通常會購買更便宜的驅(qū)動程序來生產(chǎn)更便宜的產(chǎn)品。例如，在LED燈中的驅(qū)動器效率低的情況很常見。

低效的驅(qū)動器本質(zhì)上是在交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過程中以熱量的形式消耗能量。有機構(gòu)專門對不同的LED燈泡進(jìn)行了比較測試，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)LED燈驅(qū)動器效率低下（平均 80%），特別是在住宅照明中。事實上，在轉(zhuǎn)換過程中平均損失了約20%的能量。因此，如果通過直接為這些系統(tǒng)和設(shè)備提供直流電源，就不再需要這些低效的驅(qū)動器。

為什么交流電是傳輸系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)？

知道了我們今天主要使用直流電源，簡單地將直流電源直接分配到建筑物和直流供電設(shè)備似乎很合理，并且也有多種不同的方法。而大多數(shù)分配隔離直流電源的系統(tǒng)都是通過使用變壓器來實現(xiàn)的，變壓器有兩個主要用途：

但問題是變壓器僅適用于交流電，這是交流電的優(yōu)點之一，也是交流電在高壓輸電系統(tǒng)中成為標(biāo)準(zhǔn)使用的本質(zhì)原因。

那么，當(dāng)直流電與變壓器不兼容時，直流配電和輸電系統(tǒng)如何使用變壓器呢？

如果直流電與變壓器兼容，那么直流電將成為配電和輸電系統(tǒng)中更便宜、更高效的選擇。這是因為，與交流電源相比，直流電源完全由有功功率組成，這意味著當(dāng)直流電源長距離傳輸時，幾乎不會因電線的電容而產(chǎn)生損耗。事實上，高壓交流輸電系統(tǒng)的地上輸電損耗為7%至15% 。

然而不幸的是，現(xiàn)實情況是直流電與變壓器不兼容，但在分配直流電時仍然需要升高和降低電壓。即使有這種限制，仍然有數(shù)十個高壓直流輸電系統(tǒng)存在于當(dāng)今世界，這是可能的，因為工程師開發(fā)了一種在直流配電中大部分時間使用的解決方法。

例如，如果將交流電傳輸?shù)浇ㄖ镏校瑒t將使用變壓器將電壓降壓至所需水平，然后將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并將直流電分配到整個建筑物。然而，如果需要進(jìn)一步降低電壓，則需要使用逆變器將電轉(zhuǎn)換回交流電，然后再使用變壓器降壓，然后再轉(zhuǎn)換回直流電。當(dāng)傳輸系統(tǒng)大規(guī)模完成時，這個過程有點麻煩，而且成本高昂。

那么，什么時候值得在整個建筑物或通過傳輸系統(tǒng)分配直流電呢？需要使用低效的解決方法嗎？這個問題的答案取決于以下幾種情況：

通過將直流電直接分配給設(shè)備來節(jié)省能源 > 在交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過程中，低效的驅(qū)動器浪費了能源

電力可在水下、地下、陸地上或跨越國界傳輸超過600公里。在這些情況下，在傳輸交流電的過程中會損失足夠的能量，因此整流站的成本是合理的。

為什么直流電源與變壓器不兼容？

這個問題的答案與電力的工作原理有很大關(guān)系，但這超出了本文要探討的范圍。如果想了解更多信息，可以查看相關(guān)資料。 簡單說就是因為直流電的特性和變壓器的工作原理等等。

當(dāng)設(shè)計出更好的解決方案來升壓、降壓和隔離高壓直流電并使其安全傳輸時，直流電將成為全世界電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。一旦技術(shù)取得進(jìn)步，直流輸電的好處將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過交流輸電的好處。反過來，一旦高壓直流輸電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化，建筑物將獲得直流電，并且將消除從交流電到直流電的低效轉(zhuǎn)換的需要。

事實上，ScienceDirect上的一項研究重點介紹了如何通過減少電力轉(zhuǎn)換和促進(jìn)向高效直流電器的過渡，證明分配直流電是減少商業(yè)建筑用電量的有效方法。在研究中，他們還表明，當(dāng)太陽能光伏發(fā)電分配給所有家用電器，并且考慮電池存儲多余太陽能時（太陽能提供直流電，電池存儲直流電），住宅建筑可節(jié)省高達(dá)25% 的成本。

這些結(jié)果很有希望，但建筑物接收直流電的最佳方式是由電網(wǎng)供電。當(dāng)設(shè)計出一種技術(shù)解決方案來取代高壓直流輸電系統(tǒng)中昂貴的整流站的需求或降低其成本時，就會發(fā)生這種情況。

2. 直流電智能建筑高效運行的關(guān)鍵

如上所述，大多數(shù)現(xiàn)代設(shè)備和系統(tǒng)都需要直流電，這對于智能建筑或家庭來說也不例外。傳感器、攝像頭、LED燈和智能建筑所需的其他設(shè)備均由直流電供電。

智能建筑的設(shè)計目標(biāo)是更加節(jié)能。例如，他們通?？梢允占嘘P(guān)環(huán)境質(zhì)量和空間占用的數(shù)據(jù)，以便優(yōu)化能源使用。但如果LED照明和HVAC等高消耗設(shè)備仍然需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，那么能源仍然會被浪費。因此，有專家表示“在我們的許多智能建筑技術(shù)真正得到實施之前，我們需要在基本電力方面進(jìn)行一場革命”。

3. 直流電更安全

無論使用的是交流電還是直流電，都不是絕對安全的。所以一定要采取預(yù)防措施，雖然兩者都很危險，但由于以下原因，使用交流電更加危險：

4. 許多直流供電設(shè)備本質(zhì)上是高效的

LED 燈是高效直流供電設(shè)備的一個很好的例子；與交流供電的白熾燈相比，它們的能耗減少了 75%。如果建筑物由直流電供電，則建筑物管理者將更有動力將節(jié)能直流供電設(shè)備納入其建筑系統(tǒng)。例如，如果建筑物的 HVAC系統(tǒng)配備交流電機，他們可能會決定將其HVAC系統(tǒng)升級為配備更高效的直流電機。直流HVAC電機的運行效率比交流電機至少高50%，因此僅此開關(guān)就可以節(jié)省大量能源。將更多的直流配電系統(tǒng)集成到我們的生活方式中會激勵更多能夠提高建筑物內(nèi)效率的直流供電技術(shù)。

更易獲得綠色建筑認(rèn)證及相關(guān)財務(wù)激勵

據(jù)美國綠色建筑委員會（USGBC）網(wǎng)站介紹，LEED（能源與環(huán)境設(shè)計先鋒獎）是全球使用最廣泛的綠色建筑評級體系。一座建筑獲得LEED認(rèn)證，意味著它已被全球公認(rèn)為可持續(xù)發(fā)展、成就和領(lǐng)導(dǎo)力的象征。LEED 認(rèn)證確實為直流供電建筑提供了積分，從而也推動了直流供電建筑在市場上的擴散。

但為什么要關(guān)心綠色建筑認(rèn)證？首先，各個國家都出臺了綠色建筑建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，有強制性的節(jié)能規(guī)定。另外，以LEED認(rèn)證為例，獲得 LEED 認(rèn)證的好處有：

此外，USGBC還提到，采用LEED框架設(shè)計綠色建筑的額外好處包括：對居住者和員工的健康益處、減少污染、減少能源使用和碳排放、節(jié)約用水以及減少浪費。

LEED還補充了LEED 的電網(wǎng)協(xié)調(diào)積分，因為太陽能光伏 (PV) 電力系統(tǒng)（如太陽能電池板）提供直流電源。這意味著直流電力信貸還鼓勵人們投資可再生能源。

盡管交流電被選為標(biāo)準(zhǔn)，但那是一個多世紀(jì)前的事了。當(dāng)時，特斯拉在交流配電方面的進(jìn)步被選為長距離輸電的標(biāo)準(zhǔn)方式，因為它的基礎(chǔ)設(shè)施更便宜。交流電長距離傳輸更便宜，因為它與變壓器兼容。正如我們在本文中所討論的，這些站點的效率相對較低，而且價格昂貴。

目前，盡管世界上有一些直流輸電系統(tǒng)，但許多商業(yè)建筑并未連接到任何直流輸電系統(tǒng)。因此，獲得將直流電分配到建筑系統(tǒng)的好處的唯一方法是在本地實施直流配電系統(tǒng)。未來，當(dāng)直流電技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，直流輸電系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施成本降低時，直流電可以直接輸送到建筑物。這將消除負(fù)載級別低效電源轉(zhuǎn)換的需要，從而為我們的許多直流供電設(shè)備節(jié)省大量能源。

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