走向直流供電

走向直流供電（一）：轉換損失更少、耗電量更低

身邊其實都是靠直流工作的產品

電視、個人電腦、電話、印表機、手機、遊戲機及便攜音樂播放器，我們身邊的電器其實都使用直流電工作。洗衣機、空調、螢光燈等產品也開始配備變頻器，這些產品也都是先將交流轉換為直流，然後再調製為高頻交流。人們熟悉的個人電腦等配備的USB埠，也可供給電壓為5V、最大電流為500mA的直流。



重溫愛迪生的夢想

直流供電可追溯到19世紀80年代。當時，著名發明家愛迪生（Thomas Alva Edison）為了向白熾燈等供電，曾提出直流供電方式。但是，特斯拉（Nikola Tesla，其人名被用於磁通量密度單位）和美國西屋電氣（Westinghouse Electric）提出的交流供電方案最終成為全球標準。主要理由是交流方式在長距離大規模送電時可輕鬆升降電壓。然而，時光流轉百年後，在短距離送電用途以及廉價使用高効DC-DC轉換器成為現實的推動下，直流供電重新引起了人們的關注。

對普通用戶也有利

以直流方式進行家庭供電，對用戶也很有利。在家庭中，如果能夠使用高效AC-DC轉換器將交流電統一轉換成直流電，便可減少以往由低効AC轉接器進行轉換時的能量損耗，有助於節省電費。另外，還有望省去在插座上插多個AC轉接器。僅交流改直流一項便可將轉換損失減少兩成，如果能夠開發出直流的標準插座，便可在個人電腦、手機、數位相機、遊戲機及音樂播放器等電器之間通用，用一根連線實現便攜。

在家庭中，太陽能電池與蓄電池結合的直流供電系統將得到普及。首先與LED照明等直流驅動的產品連接，之後還會給空調、洗衣機等大功率電器提供直流電。將來，還有可能像玩遊戲一樣用健身器械來發電，而且隨著電動汽車的亮相，還有望迎來在家庭與電動汽車間相互調劑電力的時代。

在辦公室中，耗電量龐大的數據中心等IT設備的300～400V直流供電將得到普及。之後，還將擴展至LED照明及空調等領域。在辦公場所，對個人電腦等的直流供電將會推進，最終有望實現利用桌面的非接觸直流供電。

近年來可為設備提供直流的“直流供電”方式越來越受關注，相關嘗試也在多個領域日趨活躍。直流供電可減少AC-DC轉換的次數，對於用直流電工作的設備以及配備變頻器的設備而言，有望獲得出色的省電效果。雖然直流供電很早就有過NTT在電話交換機上使用的先例，但僅限于部分用途。而現在旨在全面普及直流供電的舉措卻接連湧現。

其中，尤為活躍的是數據中心。在該領域，作為降低伺服器等IT設備耗電量的有效手段，導入直流供電系統的事例日益增多。

比如，伊藤忠技術解決方案（CTC）08年10月啟動了採用直流供電的數據中心，並且有多家伺服器廠商開始著手備齊支援直流供電的機型。NTT集團于 08年6月宣佈，將調動整個集團的力量來推進直流供電的導入和普及。日立製作所及NEC也表示將建立採用直流供電的數據中心。

這一動向不僅僅限于數據中心。還有企業打算以1萬日元以下的價格向店舖銷售可向貨架照明及顯示裝置供應直流電的系統。“已有便利店及購物中心表現出了興趣”（國譽店舖開發本部開發部第二小組負責人渡邊聰）。

辦公室、工廠、家庭也將導入

向辦公室及工廠導入直流供電的做法也在推進之中。“在今後兩三年內，工廠等也將導入直流供電系統”。

另外，房地產商、電子廠商及配電零件廠商的技術人員眾口一致地表示直流供電“不久將進入家庭”。在2008年9月30日～10月4日舉行的 “CEATEC JAPAN 2008”上，夏普、TDK相繼公開了將太陽能電池與蓄電池相結合，向家庭供應直流電的“直流家庭”概念。

夏普代表董事長兼CEO町田勝彥對這一領域充滿了期待：“爭取像液晶電視在不到10年的時間裏就成為主流那樣，在今後10年內實現直流供電家庭”。

還有企業明確提出了上市家用系統的時間，松下電工先進技術開發研究所所長藤岡透表示“正在按照2010年投放市場的計劃推進開發”。（記者：狩集 浩志、山下 勝已）

走向直流供電（二）：降低設備耗電量

降低設備耗電量

在數據中心、辦公室、工廠、店舖及家庭等多個領域，為何近來導入直流供電的舉措開始加快呢？理由是直流供電可成為應對全球變暖的有效對策。比如，日本提出“力爭2050年將CO2排放量減至目前的一半”，但這一目標可能無法實現。人們普遍認為，連京都議定書規定的“日本到2012年CO2排放量比1990年度減少6％”的要求甚至都很難達到。

原因就在於日本的CO2排放量趨於增加，2007年度比1990年度增加了8.7％。因此，CO2排放量較大的電力轉換部門的批評越來越多，降低耗電開始成為亟需解決的問題。

日本的數據中心耗電量到2025年將增至2006年的5倍以上，屆時電費和數據中心的空調都將成為令人頭疼的問題。“如果繼續使用現有設備，就會受到電能及空調能力不足的影響。直流供電正好是有效對策之一”（數據中心系統業者）。

目前的交流供電系統在工作時先向各個設備供給交流電，然後再通過各個設備配備的AC轉接器等AC-DC變頻器轉換成直流電。轉換效率大多只有80％左右。這會使投入電力的20％以熱量的形式浪費掉。　

而且，有的設備還會反覆進行交流到直流、直流到交流的轉換，其轉換損失就更大。因此，如果將電網電力先用高效AC-DC變頻器統一轉換成直流電，然後再向各個設備供電，可提高省電效果。比如，採用轉換效率為90％的AC-DC變頻器時，與原來相比可將耗電減少10％以上。

直流供電的導入開始加快的原因還有一個。那就是太陽能電池的迅速普及。如果太陽能電池導入順利，那麼家庭及企業希望直接利用所發電力的需求也將隨之擴大。

屆時如果仍使用目前的系統的話，所發電力就需要從直流到交流、再從交流到直流的轉換，會造成很大的浪費。“好不容易才創造出來的能源就這樣在DC- AC轉換過程中被消耗掉了”（長崎大學研究所生產科學研究系系統科學專業教授松尾博文）。

走向直流供電（三）：數據中心率先普及

數據中心率先普及

有望最先導入直流供電的是數據中心。原因在於，現行的交流供電方式會使今後的耗電量劇增，而且目前系統的浪費也很大。

目前的數據中心為了防止電力瞬間下降、即瞬降（或瞬停），大多都設有具備蓄電裝置的不間斷電源（UPS：uninterruptiblepower supply）。因此，來自電網的交流電會先經AC-DC轉為直流電進入蓄電裝置，然後再經DC-AC轉為交流電提供給伺服器等設備。在伺服器內部內，又會把交流電再進行一次AC-DC轉換，變成直流電後提供給設備使用。

也就是說，從電網輸出的電力要進行多達3次的交流與直流間的轉換，因此，即使每次轉換的效率都達到了90％，3次轉換後仍然會損失掉約27％的電力。

而通過將這一過程改為直流供電，便可獲得良好的效果。如果能夠利用轉換效率為90％的AC-DC變頻器在電網輸出電力時統一轉換後再供設備使用，便可大幅減少轉換損失。還有觀點認為，憑藉這些效果，“將來數據中心便可省去UPS，改為直流供電”（三墾電氣技術本部PS事業部技術總監伊東洋一）。

CTC已于2008年10月啟動了採用直流供電的數據中心，在數據中心內設置了多臺可使用48V直流供電的伺服器。該公司表示，“通過向伺服器進行直流供電，可將耗電量減少20％左右”（CTC數據中心事業部門DC事業企劃室事業開發室事業開發部部長唐木真）。

NTT集團的NTT環境能源研究所也表示，通過向IT設備進行直流供電，可將數據中心的耗電量減少14～17％。該公司認為，IT設備及電源部分的耗電量減少後，便可調高空調的溫度，降低空調的耗電。

走向直流供電（四）：太陽能電池及蓄電裝置實現低價位

太陽能電池及蓄電裝置實現低價位

有了上述效果，數據中心導入直流供電就有望進一步增加。在數據中心順利推進後，還會逐漸擴展至辦公室、工廠、店舖及家庭等領域。超過200V的直流供電有望在數據中心及工廠等產業用途中推廣，待安全性在這些用途得到證實後，便有望導入店舖、辦公室及家庭。

向家庭進行直流供電的關鍵在於太陽能電池。日本從2009年起恢復了對家用太陽能電池提供援助的補助金制度，“新建住宅將有70％會安裝太陽能電池”（業內相關人士）。

而且，還有預測認為，太陽能電池的價格“到2010年前後將下降到目前的一半左右”，太陽能電池與蓄電裝置相結合的系統有望在家庭中普及。

與太陽能電池一起被公認為價格較高的蓄電裝置也開始出現低成本化趨勢。預定2010年投放市場的電動汽車及插電式混合動力等的亮相，使高容量、長壽命車載鋰離子充電電池的開發日趨活躍。由於車載用鋰離子充電電池以及在家庭等固定用途的鋰離子充電電池開始通用，蓄電裝置的價格下降將會加速。

量產固定用途及車載用途鋰離子充電電池的ELIIY Power表示，“鋰離子充電電池的價格可降至5萬日元/kWh”（該公司代表董事社長吉田博）。該公司已宣佈在神奈川縣川崎市設立量產工廠，並於 2008年內接受了50億日元左右的增資。目標是首先量產用於家庭的固定用途的鋰離子充電電池，然後再擴展至車載用途。

在家庭中設置2kW太陽能電池與10kWh蓄電池結合的系統，價格可控制在200萬日元以內。受此推動，在家庭內直流供電的需求有望進一步擴大。

目前的家用太陽能電池在工作時先通過功率調節器將發出的直流電轉換成交流電，使電壓及相位與電網的電力吻合，以便能夠向電網逆流饋電。因此，向家庭供給的為交流電，所以每個設備素要逐一進行AC-DC轉換。

但是，今後如果將蓄電池與現有的系統結合，就會與數據中心一樣，導致電力從直流到交流，或從交流到直流的轉換次數增加，從而造成非常大的損失。因此，在最初用高效AC-DC變頻器對電網電力進行轉換，從太陽能電池、充電電池一直到設備，以相同電壓進行直流供電的話，便可消除轉換損失。

太陽能電池結合以蓄電裝置進行直流供電的做法，蘊藏著多種可能性。比如，房產商可建造災害時及停電時也可使用照明及電器的住宅進行銷售。

將來，不僅是太陽能電池，而且還可與同為直流發電的燃料電池結合，進一步提高來自家庭的發電量。這樣便可作為分散型電源形成地區協作，由此實現更大的省電效果。並最終實現向電網逆流饋電，從而為平衡高峰用電做出貢獻。“不僅是白天，黃昏時的用電峰值能夠得以平坦化的話，就能夠獲得明顯的省電效果”（筑波大學研究所系統資訊工程學研究系機械與能源工程學專業教授石田正義）。

另外，隨著家庭發電及蓄電越來越受關注，今後也許會利用以往浪費掉的洗浴廢熱水以及流經雨漏管的雨水來發電，而且居民可能還會積極使用自行車健身器象玩遊戲一樣參與發電。如果將家庭內的這些微弱發電集合起來，“每天便可獲得1kWh左右的電力。這些電力相當於一個家庭一天用電量的1成”（日本東北大學研究所環境科學研究系環境科學專業教授田路和幸）。

走向直流供電（五）：電壓和安全性是課題

電壓和安全性是課題

雖然直流供電備受關注，但是要想導入還需要解決諸多課題。難點就在於電壓值和安全性能。如果電壓較低，就會導致供電時電阻損耗增大、供電電纜變粗、佈線作業難度增加以及電纜等構件成本上升的問題。但是如果提高電壓值，今後就必須解決電弧及觸電等問題。交流電供電時，即使有電弧產生，也會因交流電壓週期性過零而消失。然而，直流電始終施加恒定電壓，因此不能熄滅電弧，就有可能引燃周圍的物體。

解決上述問題，就有必要就各領域的最適電壓及安全規格進行標準化。

比如，數據中心目前是以48V進行直流供電，而今後考慮將電壓提高至300～400V。但是，目前不光是額定電壓，連最小及最大電壓、瞬降時的規格、連接器的形狀以及安全性規格等也未確立全球標準。日本當然也一樣。

在這一方面，在日本國內具有較大影響力的是NTT集團。NTT集團曾宣佈將致力於將電壓提高至400V左右的直流供電系統的技術開發和標準化，並力爭在2010年度之前開始導入。因此，NTT集團有望在2010年度之前發表對統一電壓及安全性能的看法。

NTT Data將從2009年初開始對360V和380V的不同電壓的直流供電系統進行驗證試驗。“力爭儘快確認省電效果及安全性，瞄準全球標準，向美國綠色網格聯盟（The Green Grid）※等提出標準草案”（NTT DataNtt Data Ex Techno代表董事社長高草英博）。

※The Green Grid＝以提高數據中心等IT設備的省電效果為目的，于2007年2月26日設立的美國業界團體。日本支部已在2008年5月成立。董事會成員包括 AMD、美國電力轉（APC）、戴爾、惠普、IBM、英特爾、微軟、Sun微系統等11家公司。該團體的加盟企業已超過100家，日本企業有富士通、 CTC、NTT DoCoMo、NTT Data、NEC、日立製作所、富士通FIB等加入。

首先向LED照明供電

在家庭用途中也存在以多少伏的電壓來供電的大問題。目前，國際上不限制60V以下的直流供電，多數意見認為，應該根據此前的經驗，“首先以48V或24V進行供電較為穩妥”（配電盤及電源技術人員）。

但是，向家庭中空調及冰箱供電等耗電大戶按照48V或24V供電就不太現實。理由是這些電器的耗電量較大。比如，如果以48V向額定2kW 的空調進行直流供電，所需電流就要超過40A。在這一電流值下，佈線用電纜會過粗，而且也很難保證觸電及短路時的安全性能。

因此，估計會首先向耗電量在家庭中佔16％而本身耗電並不大的照明用途，以48V左右的電壓提供直流電。松下電工就計劃首先使支援直流和交流兩種供電方式的混合型配電盤實現實用化，在LED照明等產品上使用直流電。松下電工的藤岡就表示“如果是在新建住宅時設置LED照明，消費者就無需再頻繁插拔電源，從安全性角度來看，也容易導入”。

將來要想在空調及冰箱等電器中導入直流供電，就必須著眼于有望在數據中心等領域實現的高電壓系統，不斷推進標準化作業。尤其是家庭內的供電系統，由於以前僅為交流供電，因此房產商、施工企業及供配電企業“都需要增加直流供電方面的知識及經驗”。鋻於直流供電可帶來非常顯著的省電效果，估計導入該方式的舉措今後將會不斷加快。

日經BP社（記者：狩集浩志、山下勝已）2009/07