交流电为什么获胜?
19世纪末,人类开始使用电力。当时有两派,一派主张直流电,另一派主张交流电。
最后,交流电获胜,主要原因是交流电长途传输的效率更高,直流电做不到长途传输。
当时,交流电已经可以做到高电压,但是直流电的电压一直做不上去。这导致大功率传输时,直流电就会产生很大的电流(因为 电压 * 电流 = 功率)。另一方面,电流通过导体产生的热量,与电流的平方成正比。这意味着,直流电的长距离传输会因为电流较大,而产生很大的热量损耗。交流电由于电压可以做得很高,就没有这个问题。
所以,高电压是长距离电力传输的关键,这就是交流电获胜的根本原因。直流电直到1960年代才有办法做到高电压,但是已经太晚了。目前,直流电的应用都局限在低压短距离的使用,传输距离往往在几米之内,最长不超过1公里。
两个新趋势
但是,最近出现的两个趋势,导致人们重新对直流电发生了兴趣。
第一个趋势是太阳能发电的兴起,使得发电变成了分布式,而不是集中式。哪里需要能源,哪里就放置太阳能板,这种场景下不需要长距离电力传输。此外,太阳能发电产生的是直流电,电池释放的也是直流电。
第二个趋势是越来越多的电器内部使用直流电,比如所有电子设备(包括计算机和手机)、固态照明 (LED)、平板电视、微波炉等等。专家预计,未来20年内,多达50%的家庭负载消耗的是直流电。
电流转换的损失
如果家庭使用的是太阳能发电,就要进行两次电流转换。
首先,光伏板的直流电通过逆变器转换为交流电,传输进入家庭。然后,交流电再次通过逆变器转换为直流电,才能被电脑、LED 和微波炉等直流设备使用。每一次电流转换,都会发生能量损失,最严重情况下,会损失掉20%~30%。
如果带有光伏板的建筑直接采用直流供电,就可以避免这种电流转换损失。
直流供电的好处
首先,一旦直流供电,就没有了电流转换的能量损耗,所需的光伏板变少了,存储能量的电池系统也可以变小。
其次,逆变器是一种昂贵的设备,而且寿命短于光伏板。不使用逆变器,可以节省不少钱。
再次,目前的很多直流电气设备,内部带有交流电到直流电的转换,去掉这个部分,可以使这些设备更简单、更便宜、更可靠、能耗更低。
最后,直流电的电压低。很多直流电器不超过24伏,没有电击或火灾危险,使得电工可以使用相对简单的接线,无需接地,也无需担心触电。这进一步节省了成本。
直流供电的缺点
低压直流电的最大问题是无法长距离传输。
前面说过,能量损失等于电流的平方乘以电阻。一根普通的铜线,在10米的距离内以12V的电压传输,100瓦的功率对应的电流是8.33A,会产生3%的能量损失,这可以接受。但是,电线长度为 50 米时,能量损失变为16%,长度为 100 米时,能量损失增加到了32%。这足以抵消直流电的效率优势。
由于线路损耗很高,大功率电器也很难使用直流电。如果在12V直流电网上运行 1,000 瓦的微波炉,在电线长度仅为1米的情况下,能量损失高达16%,在电缆长度为3米的情况下,能量损失会增加到47%。
所以,低压直流电网不适用于洗衣机、洗碗机、吸尘器、电饭锅、电烤箱或热水锅炉等大功率电力设备。另外,有些电器(比如冰箱)本身的功率比微波炉小,但是它每天 24 小时运行,长时间下来也会导致巨大的线路损耗。
同样的,线路损耗也限制了多台低功率设备使用同一根供电线缆。如果一根12V的电缆长度为 12 米,并且我们希望将线路损耗保持在10%以下,那么所有电器的总功率将限制在大约150瓦。这意味着,这根线路只能同时使用两台笔记本电脑(每台 20 瓦的功率)、一台直流电冰箱(45 瓦)、五个8瓦的 LED 灯(总共 40 瓦),还留下25瓦可以支持其它较小的设备。
解决方案
有几种方法可以避免低压直流电的线路损耗。
第一种方法是尽量减少配电电缆长度。比如,厨房、客厅、卧室这些用电最多的地方,尽量搬到屋顶光伏板的下方,减少电缆长度。
第二种方法是每一个或两个房间,设置一个独立的太阳能发电系统。
第三种方法是选择更高的电压:24V 或 48V 而不是 12V。但是,目前市场上的大多数低压直流电器都在12V下运行,而且更高的电压(高于24V)消除了直流系统的安全优势。美国有很多数据中心、办公室、住宅建筑使用的直流电系统升压到了 380V,这就需要跟 110V 或 220V 交流电一样严格的安全措施了。
第四种方法是使用两套供电系统,同时供应交流电和直流电。低功率设备使用直流电网,比如 LED 灯(< 10 瓦)、笔记本电脑(< 20 瓦)、电视(30-90 瓦)和冰箱(<50 瓦),大功率设备使用单独的交流电网。但是这样做,直流电带来的节能和成本降低效益,就微乎其微了,很容易被抵消。