第二届电力电子科普征文大赛-入围奖

中国科学技术馆 王文渊

当你居住在舒适的房间中，是否留意电灯、空调等电器高效运行背后的奥秘？

电力电子技术，是能源系统中的“幕后英雄”，就像衬托红花的绿叶一般，默默地履行它们的使命。

今天，就让我们从一件科普展品开始，一起来探寻房屋能源系统背后的电力电子故事吧。

1 亲手搭建一个节能房屋

“绿色之家”展品在中国科技馆4层挑战与未来展厅，展示了超低能耗住宅建筑以及内部电力电子设备。建筑几乎不需要借助外界能源，就可以提供中央空调、地板采暖、生活热水等，提供恒温、恒湿、恒氧、低燥、适光等舒适的现代化生活环境。

展品集科普性、操作性、趣味性于一体，游客可以通过游戏的方式，体验亲手搭建一个节能房屋的乐趣。通过选择不同的墙体、屋顶、窗户、地板、照明系统、空气循环系统等，可以得到不同耗能特点的房屋。

2 “绿色之家”展品能源系统里的电力电子技术

2.1 光伏屋顶

“绿色之家”展品中屋顶为光伏屋顶。分布式光伏发电系统是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式。

光伏系统包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等主要设备。太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出为电能，并经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。发电侧输出的电压与频率随着输入随太阳光照等环境变化而变化，电网侧需要进行电压与频率变换。逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键部分，光伏逆变器中一般由升压回路和逆变桥式回路构成，升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变电路中一般使用IGBT模块，其作用是驱动保护、过电流/短路保护、机械故障保护、过温保护等。

2.2 变频家电

“绿色之家”展品中展示了一系列高能效家用电器，变频技术被广泛应用于其中，如变频空调、洗衣机、冰箱等。变频空调的室外机控制模块主要由变频器、控制电路和感应装置组成，通过变频器改变电源频率，调节压缩机的转速来控制制冷剂的流量，从而精确控制温度。控制电路负责接收来自室内机的温度和湿度传感器信号，并将这些信号转换为控制指令，实现对压缩机、风机等部件的协同控制。

2.3 LED照明

“绿色之家”展品中展示了白炽灯、节能灯、LED灯三种不同灯具。白炽灯利用电流通过灯丝产生高温，使灯丝发出光和热，制造成本低但能效低；节能灯工作原理是基于荧光和电子技术的应用，利用气体放电发光，节能效率较高；LED灯是一种新型光源，基于半导体材料的光电效应，具有高效、节能、环保等优点。当电流通过LED灯内部的半导体材料时，电子在电场的作用下从P型半导体流向N型半导体，并在PN结处复合，释放出能量并发出光子，形成可见光。LED灯包含LED芯片、电路板、透镜等元器件，核心部分是LED芯片，即P-N结，具有正向导通、反向截止和击穿的电压电流特性。

2.4 中央控制系统

“绿色之家”展品内中央控制系统主要包括热回收新风系统、太阳能光伏系统、空调及采暖系统、照明系统等。中央控制系统是智慧建筑的“大脑”，核心是控制器和PLC，并配合传感器、开关、执行器等设备共同工作。传感器是中央电气控制系统中的重要组成部分，能将电气设备的电流、电压、温度等参数转换为模拟信号，再通过模数转换器转换为数字信号，传至控制器进行处理。比如：家用新风机组热回收系统是提升居家舒适度的重要设备，利用温度、湿度、二氧化碳等传感器，准确捕捉环境中的细微参数变化，并根据采集得到的数据信息，自动调节新风系统的运行模式和风量，以确保室内环境始终处于舒适的状态，减少资源浪费。

3 挑战和机遇

电力电子技术是实现高效电能转换和控制的关键。从整流器到逆变器，从DC-DC变换器到交-交变频器，电力电子技术在新能源、家用电器、照明设备、动力设备等方面均有丰富的应用场景。科学技术是一把双刃剑，电力电子技术的发展给人们带来便利的同时也产生了一系列的挑战，如电磁干扰、可靠性、光伏发电的波动性和间歇性等问题，但同时也蕴藏着巨大的机遇，例如新技术的突破、产业链的完善、市场需求的增长等。《关于加快经济社会发展全面绿色转型的意见》提出要加快构建新型电力系统，推动经济社会发展绿色化和低碳化是实现高质量发展的关键环节。“双碳”背景下，通过对电能进行精密的控制和调节，实现高效能量转换和利用，电力电子技术在新能源发电、输配电和高效用电中扮演着不可或缺角色的科技力量。