关于交流与直流的新手问题(尤其是为家庭供电)

电器工程 力量 交流 太阳能电池 传输线
2022-01-27 01:22:47

在美国,电网是交流电。我听说交流电可以在更远的距离以更少的损耗传输电力。然而,随着太阳能电池板的出现,似乎可以直接产生直流电并以这种方式为家庭供电。没有很远的距离。

为什么不这样做?据我所知,太阳能电池板反馈到主电网。这意味着他们将直流转换为交流,可能会有些损失。你能用直流电为你的整个房子供电吗?假设你住在阳光充足的地方并且有足够的屋顶空间,你可以为所有东西(冰箱空调等)供电,也许将电力储存在电池中以供夜间使用?我假设您需要所有与 DC 配合使用的新设备?

实现能源独立似乎是一个很小的代价。您可以重复使用现有的房屋电线吗?我从来没有听说过这个,所以我认为有很大的障碍。谁能给我外行的解释,为什么这是一个坏主意,或者不可能,或者只是没有完成?

4个回答

这并非不可能,只是更复杂、更昂贵。您家中的所有物品都设计为使用交流电运行。许多较小的产品确实采用直流电,但它们配备了交流适配器,因为这是几乎所有地方唯一可用的连续、廉价电源的来源。每个设备所需的电压可能不同。最接近 DC 电源标准的可能是 USB 5.0V,它只能为小型设备提供足够的电流,而不能为更大的设备提供足够的电流。

太阳能房屋的工作方式大致是:太阳能电池板到电池充电器到电池,到 DC-AC 逆变器到墙上插座,如果将额外的能量反馈回电网,再加上另一个电源调节器和仪表,这不是必需的。如果电器设计为使用电池供电,人们可以直接用电池中的未调节直流电为房屋供电,但大多数情况并非如此。如果电池电压必须在分配到房屋之前进行调节,那么您真正要做的就是将 DC-AC 逆变器换成 DC-DC 稳压器,基本上是一个成本相似的不同盒子。

由于直流电器市场规模较小(目前),它们比交流电器更难找到,而且可能更贵。如果有一天几乎每个房子的屋顶都有太阳能,它们可能同样容易购买和维护。

至于重复使用布线,电线只是一条铜线,只要你在其能力范围内,不管你在上面放的是交流电还是直流电。如果由于电压较低而不得不通过电线提供更多电流,则可能需要更粗的电线、接线盒中的不同安全功能、更高额定值的保险丝等。您需要在插座上使用不同的插头,这样没有人会错误地将交流设备插入提供直流电的插座。

总体而言,在电池上安装 DC-AC 逆变器比拆毁房屋的整个电气系统并重建它,加上购买所有新电器,而且每个房间仍然需要小型 DC-AC 逆变器更便宜、更简单。无法从 DC​​ 回购运行的设备 - 目前几乎是所有小工具。您可能会认为交流逆变器提供了与过去一百年的电气设备的“向后兼容性”。

如果新手读到这里,定义“SMPS”可能会有所帮助——即开关模式电源。几乎每台 (99.99...%) 台式计算机都包含一个,就像 UPS,不间断电源一样。

[PS:这是我在 SE 的第一篇文章,我必须承认我对历史和周边相关的话题很感兴趣。有罪吗?]

在内部,SMPS 使用整流器将输入的交流电转换为直流电,从而为高频*逆变器供电。(逆变器将直流电转换为交流电。)该逆变器的交流电为一个小变压器供电,该变压器明显小于相同额定值的 60 Hz 变压器,如果那样的话,可能大 10%。变压器通过整流器从多个次级绕组提供所需的直流电压。从某种意义上说,它与汽车发动机中为交流发电机、风扇和其他配件提供不同速度的传动带并没有太大的不同。*至少 25 kHz,可能是这个频率的很多倍。

安全注意事项:为逆变器供电的直流电压大约为 300 V 左右,并通过大型电容器进行平滑处理,这些电容器将能量存储几毫秒,而输入交流电的瞬时电压不在或接近其峰值。断开电源线后,它们可能会保留电荷,这是一种危险的,可能是致命的电击危险。

逆变器使用半导体(传统上是功率晶体管)在高频下快速打开或完全关闭直流电。开启时,这些半导体非常高效,仅损失一点热量作为热量,而关闭时,效果会更好。切换时的转换很快,但需要良好的工程设计。那是“切换模式”部分。(是的,有一个振荡器可以为开关提供定时。)

作为太阳能装置一部分的逆变器提供该地区频率的交流电,世界大部分地区和日本部分地区为 50 Hz,北美、日本其他地区和 iirc 大多数(如果不是全部)中部地区为 60 Hz和南美国家。

一段时间前,有人建议未来的家用和小型办公室电源将采用两种电压,320 V(很可能是 DC,iirc)和 24 或 32 V,我记得也是 DC。高压适用于需要大量功率的设备。

在农村电气化管理局之前,32 伏直流电以及小型风力涡轮机是司空见惯的。尝试使用 Wincharger™ 作为商标。

长的高压交流输电线路确实有很大的损耗,可能是因为电容和电阻。然而,高压直流线路的损耗要低得多。尽管法国有一个开创性的 HVDC 连接与串联的绝缘发电机和电机,但开发逆变器需要一段时间,可能是几十年。将数百兆瓦的兆伏直流电可靠地转换为交流电并不适合业余爱好者!

电源及相关历史

这实在是用词不当。它们是真正的电源转换器电力公用电网的发电机提供,这些发电机由涡轮机旋转。早在 1920 年代初期,所有无线电接收器均由电池供电,A电池(通常是汽车电池,均为 6 V)和B电池,不可充电,22½ V 及其倍数,最高 135 V。C 电池确实存在,但显然持续了一半。那些汽车电池早于密封/阀门调节类型,稀硫酸对客厅地板和地毯不友好。充电很麻烦。B 电池由许多 1.5 V 锌碳电池组成,其成本并非微不足道。

那时,家用公用电源变得非常普遍,并且确实需要使用家用电源运行收音机。起初,更换电池的设备可以完成这项工作,而且这些设备被称为“电源”,也称为“电池消除器”。该术语引起了无线电工程师的喜爱,从那时起,一直用于交流线路/电源到直流转换器。

相关说明:

在 110 (120?) 伏成为美国直流公用事业服务的标准之前,早期的公用直流电压范围为 50 至 500 V。* 电动机的第一个广泛应用是旋转风扇,通常是桌面。传动带用于少数。古董风扇收藏家保留了早期的电动机历史。*由早期风扇制造商在线复制的广告提供了该电压范围。

公用直流电源并没有很快消失。1960 年之后,纽约市至少为一个酒店宴会厅提供了 110 伏直流电。(即使在今天,直流电梯驱动器可能仍然存在。)音频工程学会在 1960 年代初期在纽约客酒店举办了年度会议展览。刚开始布置展品时,插上电源后不久,它们似乎已经死了,但其中的电源变压器和电机却过热;有些可能已严重损坏。将直流电馈送到仅交流电的设备显然不会使断路器跳闸或熔断保险丝。

你猜对了!壁装插座没有标记为DC,并且在第 3 线安全接地之前,我们都有标准的配对插槽。

几十年前,使用测试仪检查电源是交流还是直流是很常见的。这些测试仪中有极性测试纸,它已经用一些离子盐处理过。DC 只在一根电线上创造了一种颜色。带有引线的小霓虹灯泡类型曾经是,现在仍然是另一种。只有负极发光。

除此之外,设备被宣传为可以在交流电或直流电上使用。值得注意的是真空吸尘器和有线电钻中嘈杂的高速电机等。这些电机具有碳“刷”、换向器和用漆包线缠绕的转子。基本上,它们是直流电机,具有叠片式励磁磁芯和转子周围稍宽的气隙。同样,二战前的收音机,尤其是无处不在的五管收音机,在直流电上运行良好——如果它们在直流电上显然“死”了,请把电源插头倒过来。

最早的无轨电车电机,全是直流电机,使用铜(合金?)钢丝刷来接触它们的换向器。那些只是没有用,所以碳块取而代之。原来的名字卡住了。

显然,许多电灯开关都是旋转的。当你转动旋钮时,你会缠绕一个弹簧,四分之一圈后,该机构会突然解锁触点,以断开电弧。(没有井喷磁铁?)试试“Ark-Les”™ 作为商标。也许这就是为什么我们说“打开/关闭”一盏灯,尽管带有开关插座的台灯和台灯有时有旋转旋钮。

用于房间灯的旧墙壁开关,无处不在的上/下杠杆类型,在操作时会发出独特的咔嗒声。那一定是为了打破直流电弧。我的合适。两种都有

马萨诸塞州曾经要求浴室灯开关位于房间门外。(我的 apt. 是,建于 1957 年。)显然,人们触电了,也许是因为旋转开关的可拆卸盖并不总是被忠实地更换。

事实上,电击保护的历史一直在不断改进。一个相当早期的电风扇有暴露的连接,顶部看起来像大而长的易熔链接,没有盖子。

即使在今天,用于家庭和小型办公室电路的电弧故障断路器也很少见(而且相当昂贵)。在处理大量电力的工业和公用事业中,电弧闪光是一种严重的危险,需要认真对待。

前段时间,我对我们普通的西半球电源线插头尖端的孔进行了解释。早期的壁装插座没有铁合金弹簧,毫无疑问是因为最终会腐蚀。当时的有色弹簧合金显然可以而且确实会发脾气,并且插头正在脱落!出口触点中的凹坑与孔接合,如果不能保持良好的接触,至少可以应对沉降。

真正早期的电器都有以外螺纹结尾的电源线,与我们的灯泡相同。

如果这些转移是不礼貌的,我道歉!

您可以为您的房屋直流供电,但问题仍然存在,虽然大多数设备将交流整流为直流,但它们是为交流输入而设计的。这就是为什么您需要逆变器的原因,即使它有一些损失,您也可以为您的电子设备提供它们的设计用途。即便如此,您所说的并网太阳能系统也只能帮助提高电网的电力。您需要相当多的太阳能电池板和缓冲(电池)才能使自己与电网完全分离,即使那样,您的容量也仅限于您的设置,而不是能够在需要时动态地从电网中拉出。获得更多基于意见,我认为这不值得麻烦,你会错过很多好处。例如,假设 50% 的人口拥有太阳能电池板,但不足以单独满足他们的电力需求。然而,与基于电网连接的设置和逆变器一起,它们可以减少发电公司本身的负载。不过,我也想知道当前接线标准下直流电的安全性。也许更有经验的人可以加入,但是由于交流电并非一直处于峰值电压(返回到 0V),它提供了一点冷却空间。另一方面,直流是恒定的。

你可以这样做。如果您的设备是为使用直流电而制造的。他们不是。由于房屋采用交流电,因此电器制造商设计和建造使用交流电。这是阻碍你的主要因素。

对于交流电源的外观,世界不同地区都有标准(例如,美国为 120 Volts @ 60 Hz,欧洲为 220 Volts @ 50 Hz),灯泡、吸尘器、电视、电脑等都是按照这些标准制造。据我所知,DC 没有国际公认的标准。因此,祝您好运找到将使用直流配电的电器。有一些使用 12 伏直流电,旨在用于车辆和船只,但它们非常有限。

长期以来,我一直认为为 500 伏直流电连接房屋并拥有可以产生任何您想要的任何东西的使用点逆变器是理想的。500 伏特允许您使用相同的接线为任何现有负载供电(电线横截面限制了安培数;更高的电压 = 给定负载的更低安培数,因此电线至少可以像以前一样处理)。500 VDC也是我所知道的电动汽车快速充电的最大规格。

如果您通过房屋提供 500 VDC,PWM 电路、IGBT 和 H 桥将足以将其转换为任何小于 353 伏的交流电压。如果我们在使用点为一个插件而不是为整个房子创建 AC,那么其组件可能会更小规模且更便宜。是的,您会在每个插槽中放置一两个这样的器件,这会增加总成本。但是可以将美国制造的立体声插入欧洲制造的灯旁边(反之亦然)。或者,插座中该设备的变体可以直接提供您的笔记本电脑、平板电视等所需的直流电,而无需使用电源砖将直流->交流->再次转换回直流。可以说,将高压直流电转换为低压直流电会比该过程更有效。和“高效”

几年前,我读过一篇文章,作者是用双线为他们的房子连接通常的 120 VAC @ 60 Hz(美国)和 48 VDC。他离网,经常增加更多负载,并试图避免花钱购买新的、更高容量的逆变器、更多电池和更多太阳能电池板。他之所以选择 48 VDC,是因为他可以获得用于其他直流设备的简单、基于电阻器的降压转换器。他的答录机使用降压直流电源,而不是插入交流电源的“壁疣”。他的笔记本电脑也是如此。他的运动检测安全灯同时使用了两者。运动检测器连接到降压直流电(是的,他必须自己拆开外壳并对其进行修改)并且照明使用交流电。将各种东西切换到直流电的效率足以让他现有的电池组持续更长的时间,并且他能够继续使用现有的逆变器和太阳能电池阵列。由此产生的系统虽然更复杂,但效率更高。这听起来像你要问的那种事情。

房屋使用交流电,因为当所有这些基础设施开始建造时,更容易为交流电制造升压/降压变压器。至少有一个人提到了潮流之战。西屋和特斯拉(交流电的支持者)战胜了爱迪生(直流电的支持者),因为交流电压升压/降压的便利性使得建造一些发电厂并在整个创作中分配高压电力变得高效且相对便宜,然后将其降低到更接近使用点的可用水平。直流电要求在本地生产电力,因为提高/降低电力很困难。那时,升压直流意味着你有一个低压电机转动高压发电机。那时他们没有基于半导体的固态开关。