日本LED照明以及智能插座在家庭能源中的应用第二部分讲解.docx
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日本LED照明以及智能插座在家庭能源中的应用第二部分讲解
日本LED照明以及智能插座在家庭能源中的应用——第二部分
三、日本关于“能源维新——节能•创能•蓄能”的几篇文字资料
【能源维新——节能•创能•蓄能】
（1）
“可视化”使用电量轻松削减25%
时间：
2012/04/23
关键词：
低碳/节能
【日经BP社报道】在空调、照明等家电的运用方面仍然存在着大量的浪费。
通过变频控制马达、采用LED照明，用电量就能轻松减少25％以上。
但目前还没有立即有效的节能方法，踏踏实实地进行改善很重要。
大宗用户减少25％、小规模企业减少20％、家庭减少15～20％——这是日本政府针对夏季用电高峰制定的削减目标。
作为实现目标的手段，最先想到的无疑是节电。
白天打开百页窗，让室外的光线照入室内，关闭室内照明，提高冷气的设定温度。
当然，这些措施有很好的节电效果。
但仅凭这些措施不可能在高峰时节电25％。
除了节电，只能够通过分散大厦和工厂的工作时间来应对。
也就是通过分散休息日，把工作安排到深夜，或是分散暑假等方式，减少高峰时的电力需求（图1）。
图1：
降低电力需求高峰的措施
从短期来看，需要通过分散休息日等，以社会体系进行应对。
这存在劳务费增加、劳动者负担重的弊端。
从中长期来看，需要采用自动调整电力消费的系统、换用节能型电器、建设节能建筑等措施。
但这些措施将会给整个社会造成负担，给生产活动和消费活动带来负面影响。
为了使2012年以后无需再采取此类措施，需要以中长期的眼光在企业和家庭中开展节能。
高效运转和更换装置是根本措施
使高峰时的用电量比现在减少25％以上的方法大致有两个。
第一是彻底优化使用，避免装置做多余的运转。
例如，只对必要的场所进行效率高的照明和冷却。
此时，重要的是在不影响劳动环境和居住环境、不劳烦人力的前提下，减少电力的浪费，使节电能永远进行下去。
第二是在更新大厦、工厂和住宅的设备时换用节能产品。
从日本的电力需求来看，57.3％的需求来自马达，13.6％来自照明（图2）。
如何使这些耗电量大的装置实现低耗电是重点。
图2：
日本国内的用电详情
马达与照明的节能化与削减电力消费密切相关。
（图：
《日经电子》根据新功能元件研究开发协会的资料制作）
前者的节电措施虽然需要测定装置，但现在着手为时不晚。
不过，优化使用需要积累和分析信息，因此显现出效果最少需要1年的时间。
而后者的节电措施是在设备更新时进行更换，因此可以说是中长期节能措施。
杜绝浪费的第一步是“可视化”
第1个方法——优化设备使用主要面向的是写字楼和工厂。
因为全部电力中约7成为大厦和工厂所消耗，所以杜绝浪费的余地很大。
反观家庭，居住环境计划研究所所长中上英俊认为：
“因为与家庭收支直接挂钩，改善虽然还有余地，但并不像写字楼和工厂那么浪费。
”
在写字楼和工厂优化设备使用方面，重要的是实现“可视化”，了解是否在高效率利用照明和冷气。
在配电盘和电源插座上设置电流表，分别测量各个房间和设备的用电量。
并且使用传感器测量写字楼和工作场所温度及照度的变化。
通过使其可视化，找出存在浪费的地方。
松下电工公司电材营销本部工程事业统括部节能解决方案中心部长栗尾孝说：
“只要牺牲掉一点舒适性，就算不实现可视化，也能够节电约15％。
”其方法就是严格贯彻在明显无需照明的场所随手关灯，调整空调工作时间。
但栗尾也说：
“如果要达到节电15％以上，就必须采取缩短电器的工作时间、缩小使用区域等要求人们进行忍受的措施。
”为了避免这种情况的发生，通过可视化发现浪费必不可少。
而且，如果不采取可视化，还有可能导致使用方法错误，耗电量反而增加。
例如，把打开冷气的时间延迟快要上班的时候。
从表面上看，这样似乎有助于节电，但实际情况并非如此。
在清晨打开更能够减少总耗电量。
之所以会出现这种逆转现象，是因为如果在上班之时打开空调，为了冷却在此时温度上升的大厦，空调最初将以最大功率进行工作。
而如果在清晨打开，大厦的温度尚未上升，所以工作负荷较小。
而且，在清晨打开空调还能降低整座大厦的用电高峰，并且把高峰期转移到清晨。
通过改善使用方式实现节电36％
松下电工的栗尾称，如果实现可视化，高效率地进行使用，“无需给员工增加太大的负担，即可实现25％以上的节电”。
松下电工为了验证可视化和调整使用的效果，从2003年至今一直在位于东京都港区的总部大厦开展节能实践（图3）。
在大厦内设置包括电流表、热量计、温度传感器在内的4880个检测器，把检测器的测量数据汇总到中央监控室。
在与建筑咨询公司、空调设备公司共同分析数据的同时，开展着改善使用方式的活动。
这些活动已确实取得成果。
2003财年，1平方米消耗的能量高达2392MJ，而2009财年只需1532MJ（图4）。
削减幅度约为36％。
这些削减大部分是通过利用可视化发现不必要的运转并将之停止，和细致地控制空调得以实现的。
单从全年用电最多的8月份的耗电量来看，酷热的2010年也比2003年减少了35％左右。
由此可以推测，白天高峰时的电力也有相同程度的降低。
图3：
松下电工总部大厦的能量消费监控系统
安装了272台电表、241台热量计、2038台温度传感器等共计4880台传感器，用于监控大厦内的能量流动。
（摄影：
松下电工）
图4：
松下电工总部大厦的节能
通过优化使用空调等措施，2003财年到2009财年大约减少了36％。
（图：
《日经电子》根据松下电工资料制作）
松下电工已经完成了通过改善使用方式杜绝浪费，正在步入下个阶段。
据栗尾介绍，具体就是“采用LED照明，并且优化使用照明”。
其目标是在2020年之前，使能源使用量比2003年减少50％。
【能源维新——节能•创能•蓄能】
（2）
马达是削减用电量的关键
时间：
2012/04/25
资料来源：
关键词：
节能/低碳
【日经BP社报道】把节能化作为“改善”的指标
三菱电机公司也在自己的工厂实施着节能措施。
该公司从2007年起把名古屋制作所指定为示范工厂，分四个步骤实施着节能化，即①能源可视化、②采用节能产品、③改善使用方式、④改善生产工艺。
在该厂，空调、压缩机、照明、设备动力4项占设备总耗电量的8成以上，通过采取前三项措施，这4个项目的用电量减少了25％。
但采用节能产品与改善使用方式的效果比率没有公开。
现在，该厂正在实施④生产工艺的调整，计划进一步实施节能化。
具体方法是调查产量与投入电力的关系，改善产量相对投入电力较低的时段和生产工序。
目前已经发现的问题有清晨机械的启动时间过早，在无人操控下，机械因错误停机时以待机状态消耗电能等。
浪费多的马达
对于第2个重点，通过更换电器实现节能化，使用马达的电器削减余地很大。
这是因为马达原本就在总用电量中占据大比例，而且多数马达的工作效率不高，马达本身的节能性能也比较差。
按照日本经济产业省的推算，目前正在使用的马达9成以上是3相感应马达。
三菱电机名古屋制作所逆变器系统部逆变器技术中心主任白石康裕指出，在这些3相感应马达中，受到变频控制的“（按照统计计算）只有约15～30％”。
而且，3相感应马达中97％属于效率偏低的IE1类型。
说明：
3相感应马达＝每个相位间相差120度，利用3相交流电驱动的马达。
使用3相交流电感应生成的旋转磁场带动转子。
不使用永磁铁。
IE1＝IEC（InternationalElectrotechnicalCommission，国际电工委员会）制定的标准，包括IE1（标准效率）、IE2（高效率）、IE3（超高效率）。
以输出功率为0.75kW的马达为例，IE1的综合效率为75.8％以上，IE2为80.5％以上，IE3为82.5％以上。
也就是说，如果为现有的3相感应马达采用变频控制，或是换用高效率的马达，就能够一举降低总耗电量。
采用逆变器效果突出
最有希望通过采用变频控制减少耗电量的是水泵和风扇等空调和水循环使用的马达（图5）。
而且，在目前使用的3相感应马达中，水泵和风扇用途占据了74％。
说明：
《日经制造》2011年3月刊的快报“利用3相感应马达实现节能，经济产业省追加讨论领跑者标准”报道称，在3相感应马达中，水泵用途占38％，压缩机用途占23％，鼓风机用途占13％。
总计为74％。
图5：
负载的种类和有效的节能方法
尤其是水泵和风扇，控制转数将大大有助于削减用电量。
（图：
《日经电子》根据三菱电机的资料制作）
使用由3相电源直接驱动的马达时，水泵和风扇的流量是通过阀门的开关进行调整。
此时，马达的转数固定，无论流量大小，耗电量基本相同。
但是，如果采用变频控制，通过马达的转数改变流量，就能大幅降低耗电量。
因为像在水泵、风扇这样的用法，耗电量的增加与转数的三乘方成正比。
例如，如果转数减少到0.8倍，耗电量可以减少将近一半（图6（a））。
图6：
通过变频控制实现马达的节能化
通过使用逆变器控制旋转，转数只需降低到80％，即可使用电量减半（a）。
有的装置只需在现有的3相感应马达上安装逆变器即可控制转数（b）。
（摄影：
荏原TECHNO-SERVE）
而且，在工作现场，很有可能以更低于0.8倍的转数也能进行运转。
因为选择马达依据的是最大设计值。
例如，在设计大厦的送风时，选择马达依据的是以最大风量向所有楼层同时送风时的情况。
而在日常使用中，这种状态不会发生，马达的转速长期高于需要。
冗余设计产生浪费
除此之外，马达以超出需要的功率工作还有其他原因。
荏原TECHNO-SERVE产品营业统括营销推进一部部长上井圭太说，因为在设计水泵和风扇时，“考虑到污物等会导致未来管路阻力增加，一般是选择所需功率1.5倍以上的马达”。
而且，马达使用的是标准产品，标准产品中往往没有符合所需功率1.5倍的马达，因此不得不选择功率更大的马达的情况也不少见。
马达超标安装的比例其实还不得而知。
但考虑到上述情况，通过采用变频控制削减用电量似乎能够取得显著的效果。
这种节能方法对设备的更改也比较小。
只需在3相电源与感应马达之间安装逆变器装置即可。
比方说，荏原TECHNO-SERVE正在销售的逆变器能够像阀门开关一样方便地控制马达转数（图6（b））。
永磁铁马达还可以实现电力再生
不同于水泵和风扇，带式输送机、机床使用马达的前提是以固定转速工作。
因此，变频控制的效果不明显。
不过，这些用途可以通过改换高效率马达的方式实现节能。
例如，三菱电机的产品目录显示，通用马达与高效率永磁铁马达的效率存在5～15个百分点左右的差距（图7）。
因为磁铁的材料费高，而且结构复杂，永磁铁马达的价格偏高，但是据曾任东芝马达技术人员的东洋大学理工学部电气电子信息工学科教授堺和人称：
“随着混合动力车的普及，购买价格已经与3相感应马达相差无几。
”
图7：
高效率马达的综合效率
只需改用永磁铁马达，效率即可提高10％左右。
（图：
《日经电子》根据三菱电机的资料制作）
采用永磁铁马达不仅能够降低耗电量，还能够实现电力再生。
以反复进行运行和停止的电梯等用途为例，制动时的电力可以储存在蓄电池中，在驱动时加以利用。
实际上，三菱电机在2001年就已经推出了电力再生型电梯。
与没有采用电力再生的电梯相比，耗电量可以减少20％。
【能源维新——节能•创能•蓄能】（3）
LED和智能插座是节电好帮手
资料来源：
时间：
2012/04/26
关键词：
低碳/节能
【日经BP社报道】LED化可使照明电力减少50％
对于电力消费量仅次于马达的照明，可以通过把荧光灯改换成LED节省用电。
将HF型荧光灯照明器具与LED照明器具进行比较，器具的总能源效率差别不大。
但LED与荧光灯相比，其优点是能够通过电流量，简单地调节光量和瞬间点亮。
只要发挥这些优点，就能够在室外光线充足的白天降低亮度，在无需长时间点灯的场所随时开关。
部分企业已经充分利用LED的这一特点，取得了节能成果。
例如，销售办公相关产品的冈村制作所在2009年改造部分办公室时采用LED照明，实现了远超过50％的节电（图8）。
图8：
使用LED照明节能的范例
通过利用室外光线，采用能够调整光量的作业灯等方式，节电有望达到50％以上。
（图：
冈村制作所，最初刊登于《GreenDevicemagazine》2010年夏季刊，p.46）
首先，办公区域的照明由天花板间接照明与作业灯组成，光亮可以按照员工的喜好调整，从而减少了办公室整体的光量。
这样一来大约可以节电62％。
位于窗边的会议区（办公花园）最大限度借助室外光线，使用照度传感器对LED的亮度进行了调整。
这里大约实现了52％的节电。
无需常时开灯的入口也做了改进，通过配置人感传感器，仅在有人时才会点灯。
这一举措成效显著，用电量大约减少了93％。
照明虽然伴随着大幅度的改装，采用时的难度较大，但可以说是切实有效的方法。
长期目标是全自动化
如上所述，通过优化建筑内电器的控制、换用节能电器，可以大幅节约用电。
但推广这种举措却绝非易事。
要想达到最佳使用效果，首先必须分析数据，并且变更参数。
更换电器也需要确认目前的使用情况，决定更换的优先顺序等。
大企业或许还能应付，但中小企业和家庭恐怕难以实施。
从长期来看，为了使任何人都能简单地实现节能，需要建立使电气产品自动进行节能运转、推荐应更换的设备以实现节能化的系统。
借助智能插座接近理想
京都大学研究生院信息学研究科智能信息学专业教授松山隆司等人的小组正在研究的智能插座电力管理系统（图9）已接近了上述理想。
该系统使用内嵌电流和电压表的智能插座，实时在服务器上收集并分析家庭内使用的电气产品的电流和电压信息。
图9：
使用智能插座的电力管理系统
在电源插座中嵌入智能插座，分析终端用户的家电使用趋势。
在此基础上，系统将自动进行节能，以尽量不影响居民生活的舒适度为前提，切断家电的电源，或使其无法使用。
（图：
波形由京都大学松山研究室提供）
这项研究的优点是能够根据取得的电流和电压波形推测使用电器的种类。
通过收集推测出的电器的种类，以及使用该电器的插座、时间、用电量，可以自动提取“这户家庭在何时使用哪些电器”、“住户现在在哪个房间”等信息。
松山教授介绍说：
“根据分析信息，如果发现‘客厅里的电视忘记关闭’，系统可以自动关闭电视。
”正可谓实现了使用的自动化。
根据电流的波形，除了电器的种类之外，还可以推测出制造商和年份等信息。
松山教授称，这些信息将用于“判断电器的故障和老化”。
因为是按电器分别统计耗电量，因此在更换最新型号的电器时，系统还能够进行模拟。
该系统还可以用于在紧急情况下控制电力需求。
向系统通知家庭可以使用的电流量之后，系统将按照过去的记录自动判断电器的优先度，按照重要度从低到高的顺序切断电源，或是调整使用时间。
例如，关闭电热水瓶
电源，或是推迟电饭锅做好饭的时间。
松山等人的小组正在根据安装了智能插座的高级公寓的实际数据进行分析，确认其是否有助于控制耗电量（图10）。
图10：
利用智能插座控制用电量的效果
1天的耗电量比无电力控制时减少了30％，按照最大功耗为1200W进行控制的结果。
从电热水壶等基本不影响生活质量的电器开始依次进行控制。
（图：
京都大学松山研究室）。
【能源维新——节能•创能•蓄能】（4）
电能先储存再使用的时代已然到来
资料来源：
时间：
2012/05/07
关键词：
能源/资源/新材料低碳/节能
【日经BP社报道】作为应急电源，蓄电池忽然成了关注的焦点。
将来蓄电池会与可再生能源配套一举实现普及。
将电能储存起来使用已是理所当然的时代到来了。
“为什么只有这栋房子亮着灯？
”
千叶县居民Y的家在停电时也一样亮着灯。
2011年3月计划停电时，周围一片漆黑，只有1栋房子亮着耀眼的灯光。
觉得奇怪的周围居民为了了解其中的缘由，按下了Y家的门铃。
秘密在于蓄电池。
这家住宅配备了容量为1.57kWh的三洋电机制锂离子充电电池（图1）。
电池用于储存房顶上3.78kW功率的太阳能电池生产的电能，向家中的照明和通信设备等供电。
图1：
配备蓄电池的住宅开始普及
三洋HOMES公司于2009年11月推出了配备锂离子充电电池和太阳能电池的住宅。
目前已经在日本关东地区建设了8栋，在停电时可以维持照明。
（摄影：
三洋HOMES）
开发这种配备蓄电池住宅的是三洋HOMES公司。
自从2009年11月上市以来，准备的20栋已经全部售光。
关东地区有8栋，其中4～5栋位于计划停电地区。
在另一个计划停电地区，这种住宅的居民A在东日本大地震发生后，马上向三洋HOMES的工作人员提出了“能否增加蓄电池容量”的咨询。
因为A希望向电视、个人电脑、冷暖气设备等电器供电，使生活更加舒适。
蓄电池耗尽导致设备瘫痪
三洋HOMES的事例从正面体现了蓄电池的作用，但在这次地震中，有些事例从负面再次体现出了蓄电池的重要性。
举例来说，在NTTDoCoMo的基站中，因蓄电池耗尽而瘫痪的基站接连出现。
在东日本大地震发生的2011年3月11日，丧失了功能的基站数量为2200座，到次日的3月12日增加到了6720座。
NTTDoCoMo称，手机基站配备的蓄电池容量“只能维持1～3个小时”。
因为电池容量针对的是暂时性停电，所以无法应付这种“意料之外”的情况。
日本气象厅用于紧急地震快讯的地震仪也耗尽了蓄电池的容量。
因为按照设想，蓄电池只能满足24小时停电的需要。
气象厅准备加紧强化应急电源设备，表示“打算今后增加蓄电池的容量，以满足72个小时的需要”。
“在6月底之前，尽量交付已经预定的1500台”——地震发生后，租售配备2kWh锂离子充电电池的应急电源的ELIIYPower公司源源不断接到订单。
不只是该公司，经营蓄电池的企业都在拼命应对激增的需求。
移峰和削峰
以此次地震为契机，蓄电池的关注度陡增，其作用主要是储存电能和稳定电力质量。
关于储存电能的作用，从三洋HOMES所建住宅的实际运用来看就很容易理解。
功能有两项，一项是在蓄电池中储存低廉的深夜电力，在清晨和白天电力需求大的时段释放。
也就是“移峰”。
这样除了能够减少电费，还能够有效利用夜晚的剩余电力。
另一项是在家中使用太阳能电池白天生产的电能，缓和增加的电力需求。
这叫做“削峰”。
多余的电能可以由电力公司收购。
借助蓄电池度过电力短缺
在移峰和削峰中，以地震造成的停电/节电对策为中心的短期应对措施是利用前者“移峰”。
从必须应对电力短缺和减少峰值用电量的2011年夏季起，要想顺利度过这1～2年，东京电力公司辖区内的企业必须控制电力供求平衡。
这就需要使用蓄电池。
虽然通过维修和强化火电站，东京电力的供电能力有所提升，但还无法满足峰值时的需求。
不过，假设够得充分利用蓄电池，就有望满足需要（图2）。
图2：
使用蓄电池应对夏季的电力短缺
夜晚维持4235万kW的连续运转，把剩余电力储存在蓄电池中，能够储存8668万kWh。
考虑到伴随充放电产生的10％损耗，也可以释放7880万kWh的电能。
（图：
《日经电子》根据东京大学阿部力也资料制作）
所有用户在今年夏季前全部安装蓄电池虽然不切实际，但必须避免停电的场所似将开始抓紧设置。
面对需求的增加，新神户电机公司在2011年4月上旬推出了面向工厂的蓄电系统（图3）。
在铅蓄电池中存储电力供求宽松的深夜电力，在白天的峰值时使用。
对于用电量为2000kW的中型工厂，铅蓄电池的容量可供生产设备运转3个小时，系统的售价约为7亿日元。
交货期约为3个月。
图3：
在工厂中设置大容量铅蓄电池
新神户电机开发出了面向工厂的大型蓄电系统。
在电能富余的夜晚储存电能，在电力需求紧张的白天和停电时使用。
（摄影：
新神户电机）
蓄电池接入电网
蓄电池的另一项功能——削峰通过与可再生能源配套将得到广泛利用。
与正在大量安装的太阳能电池和风力发电机组合，设置于电力网中起到稳定电力质量的作用。
稳定系统还有一个方法是利用火力发电。
但从二氧化碳排放的角度出发，作为紧急措施而增强的火力发电难以长久地继续增加。
因此，因该重点考虑利用蓄电池进行应对。
配备蓄电池无需在每座发电设施中进行安装。
东京大学研究生院新领域创成科学研究科尖端能源工学专业教授横山明彦说：
“以社区为单位进行稳定的电力管理就足矣，只需分散配置需要的量即可。
”
在地区采用蓄电池的验证实验也已经展开。
这就是日本经济产业省主办的“新一代能源社会体系协议会”推进的计划“新一代能源社会体系实证总体规划”，目前正在四座城市实施。
实验的主要内容虽然没有改变，但该计划的参与者称，以这次东日本大地震为契机，“过去主要思考的是电力富余，而今后也要意识到向系统电源供应其短缺部分来进行实验”。
【能源维新——节能•创能•蓄能】（5）
锂电池将逐步降价普及到家庭
资料来源：
时间：
2012/05/08
关键词：
能源/资源/新材料低碳/节能
【日经BP社报道】未来采用锂离子充电电池
在可再生能源得到大量采用之际，将按照用途划分所用蓄电池的种类。
在这1～2年为采取对策而进行的讨论中，从成本和生产体制考虑，除了铅蓄电池外别无他选。
但是由于单位重量的能量密度仅为约35Wh/kg，电池又大又沉。
因此，在2020年之前，NAS（钠硫）电池和锂离子充电电池估计将成为主流（表1）。
在超过MWh的大规模蓄电设备中，NAS电池是主流，日本碍子公司（NGK）已经推出了面向光伏发电和风力发电的商用产品。
其作用是稳定因天气等环境条件的变化而发生变动的发电频率和电压。
但是，设置NAS电池不仅需要大面积的场地，运行温度还高达300℃以上，很难在城市和住宅区设置。
家用蓄电池市场启动
多认为大型产品采用NAS电池较为有利，另一方面以小宗用户为中心，锂离子充电电池被视为主角。
因为锂离子充电电池能量密度高，易于实现小型、轻量化，容易在有限的空间内设置。
锂离子充电电池价格昂贵，按照此前的观点，此类电池在普遍应用于电动汽车（EV）后，量产效果将带动价格降低，然后也能够应用于定置用途。
但是，在开篇的事例四处涌现的今天，即使略显昂贵也打算购置蓄电系统的人数激增。
在以往，很多电池企业一直描绘着“在日本验证后走向世界”的战略。
而时至今日，这些企业已把日本作为了一个巨大的市场。
实际上，通过敏锐察觉消费者的变化，电池企业正在加快行动。
例如，东芝公司决定“把原定于2012年推出的家用锂离子充电电池的上市时间提前到2011年6月”。
其中将使用该公司开发的可充放电6000次以上的锂离子充电电池单元“SCiB”。
松下公司也干劲十足地表示“虽然上市时间预定在2011年内，但将尽快投放市场”。
风险企业的行动更快一步。
现已有多款产品问世。
山田电机公司与WestHoldings公司已经开始销售EdisonPower公司制造的家用蓄电池。
容量分为1kWh和2.5kWh两种。
1kWh电池使用家用插座充电3小时即可提供0.5kWh的电能。
按照普遍观点，如果使用蓄电池提供1户家庭使用的全部电能，则容量需要达到10kWh左右，如果只向照明、电视等有限的电器供电，1kWh估计也足够。
配备的电池单元是韩国KokamEngineering公司生产的锂聚合物充电电池。
ZMP也已经开始面向开发者销售家用备用电源使用的产品（图4）。
容量为3.1kWh，价格方面，使用日本产电池单元的型号为236万日元，使用韩国产单元的型号为193万日元。
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