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摘要：如今，大多数分布式电源和电能储能设备输出的都是直流电，这些电能必须通过逆变器转换为交流电后，才能接入电网使用，这样大幅度降低了电能的利用率，提高了供电难度。随着直流用电设备的普及，采用家用直流微网技术，在不改变原有供电线路的情况下实现直流供电。简单可靠，环保高效，具有广阔的应用前景。
关键词：直流微网；新能源；电能利用率
目前家庭用户中很多家用电器都是使用直流电，这些用电器必须配有整流器，把交流电转化成直流电，才能供用电器使用。因而直流电在传输与使用的过程中存在着许多交直流转换问题，大大降低了能源的利用率。为了降低能源的消耗，有效地使用新能源并产生一定的经济效应，我们研究了一种光伏發电家用直流微网。通过智能低压直流配电技术提高对新能源的开发和利用，同时节省家庭用电开支，大大减少火力发电厂的的供电压力，有利于缓解能源危机。
家用直流微网系统的基本原理是协调利用交流电网、各种分布式电源（例如小型光伏发电设备）以及应急电源（如蓄电池）为直流负荷供电，并根据分布式电源的电压变化情况，合理控制电能的分配。平时，家用直流微网系统主要利用分布式电源发电给直流负载供电。当分布式电源电压不足时，系统的主控电路系统会根据整个直流负载的用电情况来协调控制交流电网的供电比例。此外，当交流电网与分布式电源由于客观条件不能供电时，系统中的应急电源也能为直流负载供电，使系统能够稳定工作。而当交流电网与分布式电源供电充足时，系统将为应急电源进行充电。
对于既能使用直流电也能使用交流电的用电器，AC/DC转换器可以省略，不需要整流。当光照充足时，分布式电源能够供负载使用，直接使用新能源提供的直流电；当光照不足时，由交流电网给负载供电。
我们对整个系统进行了模拟。
新能源发电受时间、天气的影响较大，用电负荷在一天中的不同时段也有很大的变化，所以对整个系统进行检测与控制就是检测新能源的发电情况，协调交流电网和应急电源对其进行补充。我们选择了凌阳16位单片机SPCE061A作为直流微网系统的主控芯片。
我们选用的分布式电源是太阳能电池板，最大输出电压为25V。通过实验发现，随着照射到太阳能电池板表面的太阳光强度的变化，其输出电压将发生明显的改变，且具有一定线性关系。经过分析，我们提出了用太阳能电池板表面的光照强度反映太阳能电池板输出电压的思路。利用光敏传感器测量照射到太阳能电池板表面的太阳光强度，便可计算出太阳能电池板的输出电压大小。
我们选用了光敏传感器模块，在不同强度的太阳光下分别测量太阳能电池板输出电压和光敏传感器模块输出的模拟电平。经过测量、拟合，求出了太阳能电池板输出电压和光敏传感器输出模拟电平值的函数关系：
y=-6.7×x+25
从而能近似计算太阳能电池板输出电压值。
当新能源所发电能因太阳光强度减弱而不能满足直流微网系统需要时，主控芯片需要协调交流电网和应急电源对其进行补充。这就要求主控芯片除了能检测太阳光强度外，还能同时检测交流电网的供电情况。
通常情况下，交流电网具有两种工作状态，可以用0和1来表示：0供电正常，电压为220V。为了接入直流微网系统，用AC-DC整流器将其转成20V直流电；1停电，电压为0V。为了将交流电的通断转换成单片机能识别的电平信号，我们用两个大电阻对整流后的20V电压进行分压得到2.3V的低电压，然后接到一个比较器的反向输入端。当交流电网供电正常时，比较器反向输入端电压为2.3V左右，大于正向参考电压1.5V，比较器将输出低电平，主控单片机将检测到逻辑0信号；当交流电网停电时，比较器的反向输入端电压为0V <1.5V，比较器将输出高电平，经稳压二极管稳压，主控单片机将检测到逻辑1信号。这样就实现了主控单片机对交流电网供电情况的检测。
当新能源所发电能过剩时，需要将多余的电能存储到蓄电池中；当新能源所发电能不足时，需要将这些暂时不够利用的电能存储起来，以提高新能源的利用率。可是，这样就需要对蓄电池进行频繁的充放电，减少了蓄电池的使用寿命。我们把充满电的蓄电池作为系统的应急电源，这些蓄电池将只放电，不充电；而未充满电的蓄电池则用来作储能电池，这些蓄电池将只充电，不放电；当应急电源中的蓄电池电量不够时，可以与储能电池调换。这样，充电与放电分开管理，简化了蓄电池管理，利于延长蓄电池的使用寿命。
家用直流微网系统需要根据环境情况，协调利用各种电源为直流负荷供电，这些工作将由主控芯片来完成。主控芯片在检测到光强信息和交流电网供电信息后，需要对信息进行识别和处理，然后选择相应的电源为负载供电。我们选择了继电器模块作为电源选择的执行部件。因为主控芯片的控制信号是0和1的逻辑电平，这两种电平将使继电器模块上的开关接通和关断，利用主控芯片多个引脚就可以控制多个开关的通断，从而实现不同电源的选择。另外，继电器可以选择低电平导通，这样能减少电源控制环节的电能消耗，提高系统的效率。
综合以上设计，我们搭建了一套家用直流微网系统的实物模型，测试了它的工作方式，发现该系统能充分利用太阳能，且大多数时间市电环节都不用工作（除交流用电器耗电）。在实际的系统中，系统输出功率设计为500W，一年按晴天200天、平均日照8小时计，年生产约800度电，一年能节省约400元，相当于一户普通家庭年电费的20%。如果系统普遍推广，每年能减少燃煤12亿吨，迎合了当今低碳环保的主题。尤其是偏远地区，既提高了用电可靠性，还能减少交流电网输电压力。
将终端供电系统由交流改为低压直流，有必要性，也有可行性。如果能够广泛推广，应用于所有家庭，会产生巨大的经济效益，更能加快新能源利用推广速度！
参考文献
[1]汤代斌 郑诗程 洪乃刚.家庭太阳能光伏系统中前级直流变换器的研究与设计. 《电气技术》.2007
[2] 周民康.对屋顶光伏供电系统逆变应用的反思.《建筑电气》.2006
关键词：直流微网；新能源；电能利用率
目前家庭用户中很多家用电器都是使用直流电，这些用电器必须配有整流器，把交流电转化成直流电，才能供用电器使用。因而直流电在传输与使用的过程中存在着许多交直流转换问题，大大降低了能源的利用率。为了降低能源的消耗，有效地使用新能源并产生一定的经济效应，我们研究了一种光伏發电家用直流微网。通过智能低压直流配电技术提高对新能源的开发和利用，同时节省家庭用电开支，大大减少火力发电厂的的供电压力，有利于缓解能源危机。
家用直流微网系统的基本原理是协调利用交流电网、各种分布式电源（例如小型光伏发电设备）以及应急电源（如蓄电池）为直流负荷供电，并根据分布式电源的电压变化情况，合理控制电能的分配。平时，家用直流微网系统主要利用分布式电源发电给直流负载供电。当分布式电源电压不足时，系统的主控电路系统会根据整个直流负载的用电情况来协调控制交流电网的供电比例。此外，当交流电网与分布式电源由于客观条件不能供电时，系统中的应急电源也能为直流负载供电，使系统能够稳定工作。而当交流电网与分布式电源供电充足时，系统将为应急电源进行充电。
对于既能使用直流电也能使用交流电的用电器，AC/DC转换器可以省略，不需要整流。当光照充足时，分布式电源能够供负载使用，直接使用新能源提供的直流电；当光照不足时，由交流电网给负载供电。
我们对整个系统进行了模拟。
新能源发电受时间、天气的影响较大，用电负荷在一天中的不同时段也有很大的变化，所以对整个系统进行检测与控制就是检测新能源的发电情况，协调交流电网和应急电源对其进行补充。我们选择了凌阳16位单片机SPCE061A作为直流微网系统的主控芯片。
我们选用的分布式电源是太阳能电池板，最大输出电压为25V。通过实验发现，随着照射到太阳能电池板表面的太阳光强度的变化，其输出电压将发生明显的改变，且具有一定线性关系。经过分析，我们提出了用太阳能电池板表面的光照强度反映太阳能电池板输出电压的思路。利用光敏传感器测量照射到太阳能电池板表面的太阳光强度，便可计算出太阳能电池板的输出电压大小。
我们选用了光敏传感器模块，在不同强度的太阳光下分别测量太阳能电池板输出电压和光敏传感器模块输出的模拟电平。经过测量、拟合，求出了太阳能电池板输出电压和光敏传感器输出模拟电平值的函数关系：
y=-6.7×x+25
从而能近似计算太阳能电池板输出电压值。
当新能源所发电能因太阳光强度减弱而不能满足直流微网系统需要时，主控芯片需要协调交流电网和应急电源对其进行补充。这就要求主控芯片除了能检测太阳光强度外，还能同时检测交流电网的供电情况。
通常情况下，交流电网具有两种工作状态，可以用0和1来表示：0供电正常，电压为220V。为了接入直流微网系统，用AC-DC整流器将其转成20V直流电；1停电，电压为0V。为了将交流电的通断转换成单片机能识别的电平信号，我们用两个大电阻对整流后的20V电压进行分压得到2.3V的低电压，然后接到一个比较器的反向输入端。当交流电网供电正常时，比较器反向输入端电压为2.3V左右，大于正向参考电压1.5V，比较器将输出低电平，主控单片机将检测到逻辑0信号；当交流电网停电时，比较器的反向输入端电压为0V <1.5V，比较器将输出高电平，经稳压二极管稳压，主控单片机将检测到逻辑1信号。这样就实现了主控单片机对交流电网供电情况的检测。
当新能源所发电能过剩时，需要将多余的电能存储到蓄电池中；当新能源所发电能不足时，需要将这些暂时不够利用的电能存储起来，以提高新能源的利用率。可是，这样就需要对蓄电池进行频繁的充放电，减少了蓄电池的使用寿命。我们把充满电的蓄电池作为系统的应急电源，这些蓄电池将只放电，不充电；而未充满电的蓄电池则用来作储能电池，这些蓄电池将只充电，不放电；当应急电源中的蓄电池电量不够时，可以与储能电池调换。这样，充电与放电分开管理，简化了蓄电池管理，利于延长蓄电池的使用寿命。
家用直流微网系统需要根据环境情况，协调利用各种电源为直流负荷供电，这些工作将由主控芯片来完成。主控芯片在检测到光强信息和交流电网供电信息后，需要对信息进行识别和处理，然后选择相应的电源为负载供电。我们选择了继电器模块作为电源选择的执行部件。因为主控芯片的控制信号是0和1的逻辑电平，这两种电平将使继电器模块上的开关接通和关断，利用主控芯片多个引脚就可以控制多个开关的通断，从而实现不同电源的选择。另外，继电器可以选择低电平导通，这样能减少电源控制环节的电能消耗，提高系统的效率。
综合以上设计，我们搭建了一套家用直流微网系统的实物模型，测试了它的工作方式，发现该系统能充分利用太阳能，且大多数时间市电环节都不用工作（除交流用电器耗电）。在实际的系统中，系统输出功率设计为500W，一年按晴天200天、平均日照8小时计，年生产约800度电，一年能节省约400元，相当于一户普通家庭年电费的20%。如果系统普遍推广，每年能减少燃煤12亿吨，迎合了当今低碳环保的主题。尤其是偏远地区，既提高了用电可靠性，还能减少交流电网输电压力。
将终端供电系统由交流改为低压直流，有必要性，也有可行性。如果能够广泛推广，应用于所有家庭，会产生巨大的经济效益，更能加快新能源利用推广速度！
参考文献
[1]汤代斌 郑诗程 洪乃刚.家庭太阳能光伏系统中前级直流变换器的研究与设计. 《电气技术》.2007
[2] 周民康.对屋顶光伏供电系统逆变应用的反思.《建筑电气》.2006