性冲动猎人riot:二氧化碳减排的撒手锏（一）：为何直流供电现在备受关注？

2009/11/13 00:00
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近来，数据中心、家庭、办公室、工厂及店铺等导入直流供电系统的行动正在加快。在2009年10月6～10日于千叶县幕张MESSE国际会展中心举行的日本国内最大的电子及IT相关展会“CEATEC JAPAN 2009”上，松下、TDK及夏普纷纷展出了以直流方式而非原来的交流方式向家庭内供电的“直流供电房”（图1）。另外，数据中心还在推进向IT设备进行电压高达400V左右的直流供电。

图1：松下集团的展区展示了松下电工开发的、在保留交流布线的同时也可进行直流供电的“AC/DC混合布线系统”。组合使用了松下开发的家用燃料电池及家用锂离子充电池组等。
为何直流供电现在如此受关注？
重要原因之一是直流供电可成为减排二氧化碳非常有效的手段。尤其在IT设备行业，二氧化碳减排是亟需解决的课题。这是因为，以数据中心等为首，IT设备的耗电量正在迅速增加。有预测称，全球IT设备耗电量2025年将增至2006年的9.4倍，占到全球总发电量的15％，日本到2025年也将增至2006年的5.2倍，占到日本总发电量的20％（图2）。

图2：有预测称，日本国内IT设备耗电量到2025年将增至2006年的5倍以上，到2050年将进一步增至12倍。本图根据日本经济产业省的资料制成。
为耗电量如此庞大的IT设备供电时，通过将目前的交流供电系统换成直流供电系统，便有望将耗电量减少10～20％左右。目前的数据中心为了防止电力瞬间下降、即瞬降（或瞬停），大多都设有具备蓄电装置的不间断电源（UPS：uninterruptiblepower supply）。因此，来自电网的交流电会先经AC-DC转为直流电进入蓄电装置，然后再经DC-AC转为交流电提供给服务器等设备。接着，在服务器内部，又会把交流电再进行一次AC-DC转换，变成直流电后提供给设备使用。
也就是说，从电网输出的电力要进行多达3次的交流与直流间的转换。因此，即使每次转换的效率都达到了90％，3次转换后仍然会损失掉约27％的电力。如果将这一过程改为直流供电，利用转换效率为90％的AC-DC逆变器在电网输出电力时统一转换后再供设备使用，便可大幅减少转换损失（図3）。这样，便可降低耗电量，有助于减排二氧化碳。
二氧化碳减排的撒手锏（一）：为何直流供电现在备受关注？
2009/11/13 00:00
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图3：目前的数据中心很多都利用UPS来运营服务器（a）。这时，从电网输出的电力需要进行多达3次的电力转换，转换损失较大。而实现直流供电的话，只需1次电力转换即可，因此可获得良好的节能效果（b）。 (点击放大)
从设备角度看，直流供电是必然的
实际上，用直流电工作的设备并非只有IT设备。我们身边的大部分设备都是通过直流电来工作的。电视及便携终端等数字产品在AC适配器或设备内部将交流电转换成直流电。另外，空调及洗衣机等配备变频器的设备先将交流电暂时转换为直流电，然后再转换成高频交流电。比如，空调在设备内部转换为280V左右的直流电，使用AC适配器的小型液晶电视则转换成24V直流电。
因此，设备开发人员大多以直流方式进行电路设计。而且，各个行业也规定有标准的直流供电总线电压。可以说，汽车就是身边最直接的例子。乘用车将12V直流电作为总线电压使用，而巴士及卡车等则将24V直流电作为总线电压。此外，产业设备使用的是24V直流电，通信设备使用的是48V直流电、铁路相关设备使用的是110V直流电，军用设备使用28V及270V直流电。最近，通过USB端子等提供5V直流电的趋势正在以便携设备为中心不断扩大。
在用于起动白炽灯及产业用大型马达的发电量较多的时代，也许交流供电系统最为合适，但现在已经到了身边到处都是电气化产品的时代，因此最好逐渐换成根据设备情况而非发电情况来供电的系统。不过，在电力基础设施已经完善的国家及地区，难以从发电一方便改为以直流方式供电。从目前来看，最为适当的做法是以住宅及建筑物为单位，将交流电统一转换成直流电后进行利用。（记者：狩集 浩志）
二氧化碳减排的撒手锏（二）：直流供电也受家庭期待
2009/11/20 00:00
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上接本站报道：
二氧化碳减排的撒手锏（一）：为何直流供电现在备受关注？
有可能使耗电量削减10～20％的直流供电已首先从用电量非常大的数据中心开始导入。数据中心采用之后，将逐渐向办公室、工厂、店铺及家庭等领域渗透。其中，直流供电系统在家庭中普及的关键是太阳能电池。日本从2009年度恢复了针对家用太阳能电池的补贴制度。日本经济产业省的最大导入计划预测2020年将导入2800万kW、设置在大约530万户住宅中，2030年将导入5300万kW、设置在大约1000万户住宅中（图1）。

图1：今后，日本太阳能发电的导入量将扩大，到2030年有可能超过5300万kW。图是根据日本经济产业省的资料绘制而成的。
太阳能电池的发电量如此增加其实会引发一个大问题。因为在日本，太阳能电池的发电量一旦超过1000万kW，如果充溢到电网上将导致电力系统不稳定。为了解决这一问题，在各家庭设置由太阳能电池和蓄电装置组成的系统、将太阳能电池发的电储存在蓄电池中以稳定电网运行的做法更具有现实可行性。

图2：现在设有太阳能电池的住宅利用功率调节器将太阳能电池发的直流电由DC转换为AC，波长和相位与系统电力的交流相符（a）。将来会出现由太阳能电池和锂离子充电电池组成的系统，但如果沿用现在的系统结构，要将太阳能电池的电力进行4次以上的AC-DC或DC-AC转换，因此转换损失非常大（b）。而在住宅内直接进行直流供电，则能够大幅削减转换损失（c）。(点击放大)
不过，目前日本的家用太阳能电池还都是利用功率调节器将直流电转换成交流，为了能够逆流到系统电网，其电压和相位也都调整到与系统电网相符的状态。所以最终是以交流状态向家庭内供电的，然后每个设备内部又再一次进行AC-DC转换。
今后，要在目前的硬件设施上配套使用蓄电池的话，就会跟数据中心一样，将电力由直流转换为交流或者由交流转换为直流的次数就会增加，转换损失随之大。而一开始利用高效AC-DC转换器转换系统电力，从太阳能电池到充电电池和设备都以相同的电压进行直流供电的话，便可以减少转换损失（图2）。
太阳能电池+蓄电装置+直流供电的组合方式蕴含着多种可能性。比如，对于建筑商来说，可以销售在遭遇灾害和停电时也能使用照明和设备的住宅。不仅与太阳能电池，还能与同样为直流发电的燃料电池配套使用，可进一步提高家庭发电量。分散型电源按地区联合协作的话，或许还能够进一步提高节能效果。最终，逆向供应系统电力，还有利于平均峰值功率。
日本东北大学研究生院环境科学研究科预测，随着对家庭发电和蓄电的关注度提高，以后或许会利用过去浪费的家庭废水和雨水槽中雨水的能量用超小型水轮机发电，居民或许会利用自行车型健身器材等以游戏的感觉积极参与发电。如果利用锂离子充电电池将家庭中的这些微弱发电以直流方式储存起来，每天能够蓄电约1kWh左右。这相当于家庭每日用电量的1成。作为日本环境省全球变暖对策技术开发业务——“微弱能源蓄电型生态屋相关节能技术开发”项目的一环，目前，该大学正在大学校园内建设将微弱电力储存在锂离子充电电池中以供使用的“生态屋”，计划2009年度底建成（参阅本站报道）。
还有厂商开始着手开发在实际家庭中能够使用的直流供电系统。比如松下电工正在开发除以前的交流配电线外、还能够使用直流专用配电线的“AC/DC混合布线系统”（图3）。计划将太阳光发电及燃料电池等直流发电系统和直流充放电的蓄电池设置在住宅中，从LED照明及24小时运行的换气风扇等开发商在新建住宅时安装的电器开始直流化。

图3：除过去的交流配电线外、还能够使用直流专用配电线的“AC/DC混合布线系统”（资料由松下电工提供）(点击放大)
上述系统建成之后，从安全角度出发，在48V以下的电话及笔记本电脑等低功率产品中也会实现直流化，使其不再需要AC适配器。将来，还计划应用于空调及冰箱等高压电器。（记者：狩集 浩志）
二氧化碳减排的撒手锏（三）：终极目标是非接触+直流供电
2009/11/26 00:00
在普通住宅中，直流化很可能首先从新建时可专门布线的LED照明以及24小时运转的通风扇开始。届时，电压可能为48V或24V左右。松下电工已从2009年度开始参与日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的“新一代高效率能源利用型住宅系统技术开发及实证业务”，预定2010年度将“AC/DC混合布线系统”导入实际的住宅之中开始试验。此外，日本布线设备工业协会及日本电气设备学会也已开始对直流布线展开研究。

图1：TDK参考展出的“通用直流供电插座”
(点击放大)
要使住宅内的直流化进一步扩大，就要将直流供电应用于数字终端、大尺寸电视机、空调、洗衣机等多种电器产品。目前的电器几乎都是在AC适配器及产品内部将100V交流电转换成最适合电压的直流电，因此所利用的直流电电压各不相同。另外，大尺寸电视机及空调等还需要进行高压供电，需要确保安全问题。
其中，TDK在2009年10月举行的“CEATEC JAPAN 2009”上参考展出了以最适合的电压向家庭内产品直流供电的专用插座“通用直流供电插座”（图1）。如果是电压低于24V的电器，可根据电器的电压直流供电（参阅本站报道）。
详细情况未予公布，不过可通过插头的物理形状识别电器的电压，从插座侧直流供应5V、12V、16V、24V等最适合的电压。插座侧使用数字控制的DC-DC转换器，对24V的直流电进行电压转换（图2）。TDK的插座设想家庭内的主干部分的布线采用380V左右的高压进行供电，而普通消费者能够接触到的插座，电压则降至24V。
住宅内现有的低电压工作的电器（小尺寸电视、电话机、个人电脑等）估计很难轻易统一成48V电压。这样想来，或许也可采取以TDK那样的方式首先推进插座直流化的手段。不过，要想用于大尺寸电视、空调及洗衣机等需要高电压的电器，安全性等方面还存在各种问题。
因此，非接触供电系统迅速浮出水面。美国麻省理工学院（MIT）2007年6月、美国英特尔2008年8月分别发表了磁场共鸣方式的非接触供电系统，此后相关开发迅速活跃起来。目前已实用化的、由线圈向线圈供电的电磁感应方式还存在缺陷，需要对位置偏移导致的转换效率下降、异物进入时的发热、电磁波及高频采取对策，而采用共鸣方式的非接触供电系统，即可解决这些问题。另外，由于是共鸣方式，因此还可只向指定的电器进行供电，能够提高安全性。
最近，竹中工务店发表了使用电场耦合共鸣而非磁场耦合共鸣的非接触供电技术，引发了话题。该技术尽管需要使供电侧与受电侧紧贴在一起，但在水平方向的位置偏移下也可供电，而且只需扩大接触面积即可为大功率电器供电。竹中工务店表示，今后将与直流供电系统组合，在工厂、办公室及公寓的墙壁及地板中嵌入可非接触充电的功能。这样一来，在住宅中便可将大尺寸电视及空调使用的系统嵌入起居室的墙壁，而将洗衣机使用的系统嵌入放置洗衣机的场所，由此进行大电力供给。
不过，非接触供电还存在传输效率问题。即使住宅内最终实现直流供电，通过减少转换次数提高了节能效果，但非接触供电系统的传输效率仍然较低的话，对CO2减排而言也没有什么意义。竹中工务店开发的、使用电场耦合共鸣的供电系统，其传输效率的目标值为95％。该公司表示，已经实施了对白炽灯泡传输100W电力的试验，目前的传输效率已达到90％（图3）。

图3：竹中工务正在开发采用电场耦合原理的供电系统，已成功地以90％的效率向白炽灯泡进行了100W供电。
如果能够将直流供电和非接触供电完美结合的话，也许今后就有望迎来大尺寸电视及空调等无需再使用电源线及插座的一天。（