中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：如今，直流（DC）微電網(wǎng)在當(dāng)今數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化、電氣化世界中具有許多優(yōu)勢(shì)。然而，其在交流電（AC）占主導(dǎo)地位的電網(wǎng)市場(chǎng)的接受方面面臨著挑戰(zhàn)。
關(guān)于電網(wǎng)使用交流電還是直流電的爭論可追溯到19世紀(jì)80年代，發(fā)明家托馬斯·愛迪生和科學(xué)家尼古拉·特斯拉為此爭執(zhí)不休。
這并不是說人們沒有應(yīng)用直流電。全球范圍內(nèi)的工業(yè)、建筑和運(yùn)輸行業(yè)領(lǐng)域中使用的大部分的大功率電氣設(shè)備和機(jī)器均采用直流電源，而在家庭和辦公室中使用可以兼容直流電的數(shù)字設(shè)施和設(shè)備也是司空見慣的。
此外，風(fēng)能、太陽能和其他形式的分布式能源都在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和調(diào)度直流電。例如，美國軍方對(duì)可再生能源和直流微電網(wǎng)相結(jié)合帶來的好處特別感興趣。
日前，兩位業(yè)界領(lǐng)先的美國直流電力支持者就直流微電網(wǎng)有關(guān)問題、面臨的挑戰(zhàn)，以及如何克服這些問題進(jìn)行了分析與探討。匹茲堡大學(xué)（PITT）斯旺森工程學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程教授Gregory Reed是該大學(xué)能源與能源中心電網(wǎng)研究所所長。Terence Hill則是美國被動(dòng)式房屋研究所以及EMerge聯(lián)盟（EMerge Alliance）委員會(huì)的成員，EMerge聯(lián)盟是一個(gè)非營利的行業(yè)協(xié)會(huì)，致力于制定標(biāo)準(zhǔn)，并促進(jìn)直流微電網(wǎng)和電力技術(shù)的商業(yè)化。
直流微電網(wǎng)的承諾
根據(jù)美國能源信息署（EIA）的數(shù)據(jù)，美國約有5％的電能在從電廠傳輸?shù)较M(fèi)者的環(huán)節(jié)中流失。輸電和配電線路并不是完美的導(dǎo)體，因此隨著電能的傳播，其能量會(huì)有所損耗，并且能耗會(huì)隨著距離的增加而增加。電網(wǎng)能量損失的另一個(gè)主要來源是變壓器，因?yàn)樗鼈儗㈦妷航档偷桨踩⑶易阋詽M足消費(fèi)者需求的水平。使用當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)和直流微電網(wǎng)提供的電能可以顯著減少這些能耗。
此外，還有其他一些使用直流電源的原因。EMerge聯(lián)盟指出，目前固態(tài)DC-DC功率轉(zhuǎn)換器的效率約為95％。而一旦將新型寬帶隙半導(dǎo)體材料應(yīng)用在電力設(shè)備中，其效率有望進(jìn)一步提高。
采用DC-DC功率轉(zhuǎn)換器已經(jīng)解決了在電力傳輸和分配期間如何升高和降低直流電壓的問題，這樣做將為遠(yuǎn)程高壓直流輸電線路的發(fā)展鋪平道路。
為直流微電網(wǎng)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)
EMerge聯(lián)盟正與多個(gè)團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)全球低壓直流標(biāo)準(zhǔn)，以及照明、電器和直流電表的直流標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目的合作伙伴包括國際電工委員會(huì)、電氣和電子工程師協(xié)會(huì)和國家電氣制造商協(xié)會(huì)。Terence Hill表示，其早期計(jì)劃將建筑物內(nèi)部的380伏直流電和48伏和24伏的直流電相結(jié)合，并包含USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)。
“我發(fā)現(xiàn)有趣的是，現(xiàn)在大多數(shù)電氣設(shè)備（包括那些包含電子產(chǎn)品的設(shè)備）需要采用直流電。此外，太陽能發(fā)電和電池儲(chǔ)能都涉及直流電，這對(duì)我來說，將直流電與被動(dòng)式房屋設(shè)計(jì)和建筑結(jié)合起來是有意義的。這將導(dǎo)致公用事業(yè)負(fù)荷大幅減少，同時(shí)最大限度地利用住宅太陽能發(fā)電。”Hill說。
當(dāng)今大多數(shù)電子產(chǎn)品都使用直流電
Hill說，如果按照被動(dòng)式房屋原則和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建造，美國房屋的供暖需求和制冷需求平均可分別減少90％和50％。為太陽能光伏發(fā)電最大化利用住宅空間將把最佳節(jié)能設(shè)計(jì)的愿景提升到一個(gè)新的水平。
他指出，除了減少內(nèi)部電力負(fù)荷（由于電子設(shè)備數(shù)量的不斷增加和使用量的增加而上升）之外，住宅太陽能發(fā)電還可以為社區(qū)和更廣泛的直流微電網(wǎng)提供清潔能源。
他補(bǔ)充道，此外，這將為住宅直流電微電網(wǎng)和微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)鋪平道路。剩余電力和網(wǎng)絡(luò)資源（如儲(chǔ)能容量）可以被匯總并用于提供當(dāng)?shù)睾透笠?guī)模的電網(wǎng)服務(wù)。
直流納米和微電網(wǎng)測(cè)試、示范和商業(yè)設(shè)施正在全球范圍內(nèi)運(yùn)行。Hill表示，ABB、博世、西門子、施耐德、S＆S、ARDA Power、弗勞恩霍夫、杜克能源在推進(jìn)直流電和微電網(wǎng)方面處于領(lǐng)先地位。他補(bǔ)充說，總體而言，發(fā)展中國家部署直流電方面將做出更多的努力。
直流電微電網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)
“然而，直流電前沿技術(shù)的進(jìn)展比人們預(yù)期的要慢。其比較突出的挑戰(zhàn)是缺乏足夠的資金來獲得有關(guān)直流電價(jià)值的信息，特別是在美國，在我看來似乎沒有動(dòng)力成為像發(fā)展中國家開發(fā)直流電那樣的巨大市場(chǎng)?！盚ill說。
“我讀到的一篇文章表明，目前全球有30億人沒有穩(wěn)定可靠的電能，其中13億人無電可用，7億人使用間歇性電力，10億人仍然在使用化石燃料。我知道歐洲和中國都在關(guān)注這一點(diǎn)，但顯然不是美國。”他補(bǔ)充道。
Gregory Reed表示，另一個(gè)問題是直流電缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，或者說是缺乏專有標(biāo)準(zhǔn)。Reed曾擔(dān)任Emerge聯(lián)盟首席科學(xué)顧問。他表示，鑒于直流電的復(fù)雜性、廣泛的應(yīng)用范圍和涉及的市場(chǎng)參與者數(shù)量，制定標(biāo)準(zhǔn)必然是一個(gè)緩慢、漸進(jìn)和艱苦的過程。
建立電壓標(biāo)準(zhǔn)是Emerge聯(lián)盟和其他組織正在努力解決的主要問題之一。例如，電力需求隨著發(fā)電機(jī)和跨越不同距離電網(wǎng)的電力而變化，然后再向下游供電給公共基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)廠房、商業(yè)設(shè)施、辦公樓、商店、家庭等，而這些場(chǎng)合的電力需求也不同。
“通過采用直流電，其電力測(cè)量將與目前的測(cè)量有所不同。沒有標(biāo)準(zhǔn)確切地說明它是如何工作的。直流電模式下的消費(fèi)準(zhǔn)確度必須恰到好處，以便公用事業(yè)公司向客戶收取費(fèi)用。這只是我們正在研究的問題之一。”Reed說。
直流電源系統(tǒng)的電壓標(biāo)準(zhǔn)化問題具有更廣泛的意義。“直流電的方式如何與120V/60Hz交流電并行？它們的直流電壓是380V、24V、12V？可能沒有一個(gè)等效的標(biāo)準(zhǔn)。人們可能會(huì)得到幾個(gè)不同的數(shù)字，也許比采用直流電的照明電壓標(biāo)準(zhǔn)還要低。”Reed解釋說。
缺乏經(jīng)過認(rèn)證的直流電源設(shè)備、家用和消費(fèi)類設(shè)備以及缺乏訓(xùn)練有素的經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員是直流電支持者正在努力解決的其他關(guān)鍵問題。
“如果說想建立一個(gè)全直流微電網(wǎng)或電力系統(tǒng)，人們將會(huì)發(fā)現(xiàn)，很難讓建筑師、電工和建設(shè)人員確定并參考指定如何完成工作的內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)。我們正在解決這些問題，但仍有許多工作要做?！盧eed說。
樂觀的前景
直流電技術(shù)的支持者仍然樂觀地認(rèn)為，直流電最終會(huì)在電網(wǎng)和電力系統(tǒng)中與交流電展開競(jìng)爭。他們強(qiáng)調(diào)直流電源系統(tǒng)在長距離傳輸電能時(shí)可以提供更高的能源效率和其他優(yōu)勢(shì)，以及具有推動(dòng)可持續(xù)能源議程的潛力。
直流微電網(wǎng)和電力系統(tǒng)是匹茲堡大學(xué)（PITT）的能源和電網(wǎng)研究所參與的幾個(gè)具有里程碑意義的項(xiàng)目的核心。也許最值得注意的是，這包括匹茲堡計(jì)劃開發(fā)美國第一個(gè)全城微電網(wǎng)。
能源民主之路
Hill是Emerge聯(lián)盟成員，并且是美國被動(dòng)房研究所的董事會(huì)成員，對(duì)直流電微電網(wǎng)和電力系統(tǒng)有著廣泛的見解。
“我對(duì)直流電寄予厚望，我正在盡我所能來推廣直流電和混合微電網(wǎng)這兩個(gè)概念?！彼f，“我還加入了高性能核心團(tuán)體聯(lián)盟（HPCCC），我們一直在敦促參議院在能源法案中涉及直流電，這也許會(huì)在聽證會(huì)獲得表決。該法案中有一節(jié)涉及混合微電網(wǎng)，HPBCCC建議增加直流電。迄今為止，唯一公開發(fā)表的關(guān)于直流電的想法是Murkowski議會(huì)議長在最近關(guān)于波多黎各電網(wǎng)的一次聽證會(huì)上發(fā)表的聲明?！?
為了支持Hill的信念，Emerge聯(lián)盟正在開發(fā)被動(dòng)式住房的直流電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，其最終目標(biāo)不亞于建筑部門的低碳化。被動(dòng)式房屋的概念起源于德國，并已發(fā)展成為設(shè)計(jì)和建造房屋和其他建筑物的自愿性標(biāo)準(zhǔn)，這些建筑物使用最少量的能源，并具有最小的生態(tài)足跡。
“想象如下：一個(gè)城市/城鎮(zhèn)街區(qū)的所有住宅全部建成新的或改造后的公用設(shè)施，達(dá)到被動(dòng)式住宅標(biāo)準(zhǔn)（加熱能耗減少90％，從目前的ICC標(biāo)準(zhǔn)減少50％），每個(gè)住宅都部署太陽能發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)施，以及直流基礎(chǔ)設(shè)施，這其中包括直流設(shè)備和住宅、可再生直流快速充電器、通過直流島嶼式微電網(wǎng)連接?！盚ill說。
“構(gòu)建將能源生產(chǎn)商和消費(fèi)者從住宅到當(dāng)?shù)毓檬聵I(yè)，甚至州和地區(qū)電網(wǎng)層面的對(duì)等微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，可以為消除能源貧困、建立能源民主的路線圖，并確定布局鋪平道路，將會(huì)大大提高了電網(wǎng)安全性和彈性。”Hill總結(jié)道。（中國儲(chǔ)能網(wǎng)獨(dú)家編譯，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源，違者必究）
