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美國加利福尼亞州州長(cháng)阿諾·施瓦辛格表示：“今后10年內，可再生能源的引入量將會(huì )上升至現在的2.5倍�！� 目前，為了減少溫室氣體排放、擺脫對化石燃料的依賴(lài)，全球都希望能夠大規模地發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源(見(jiàn)圖1)。 
美國計劃到2025年要使可再生能源發(fā)電量占到電力供應總量的25%，歐洲也計劃到2020年使電力消耗總量的20%來(lái)自可再生能源。 但是，要想實(shí)現這些目標，還需要解決很多問(wèn)題�？稍偕茉吹陌l(fā)電量會(huì )隨氣象條件發(fā)生較大變化。例如，當沒(méi)有風(fēng)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電的葉片就基本不會(huì )轉動(dòng)；在太陽(yáng)照射不到的地方，太陽(yáng)能發(fā)電也發(fā)揮不了作用。而火力發(fā)電則不會(huì )受到天氣的影響，且其輸出能夠自由控制。相比之下，可再生能源難于控制及調度。 當可再生能源的引入量較小時(shí)，電網(wǎng)(電力系統)還可以吸收這部分的輸出變化。但是，如果要實(shí)現20%~30%的目標比例，那么目前電網(wǎng)的吸收能力肯定不夠，這將會(huì )導致電力系統頻率發(fā)生變化，引起停電事故或降低供電質(zhì)量。 如果不能解決這一問(wèn)題，可再生能源的引入計劃就只是畫(huà)餅充饑而已。 救星：蓄電池與傳感器 解決上述挑戰的有效方法就是采用蓄電池，并通過(guò)傳感器加以控制。具體做法是：針對風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能發(fā)電的能源輸出，采用蓄電池作為緩沖來(lái)保證電網(wǎng)的穩定；再在網(wǎng)絡(luò )中安裝傳感器，用來(lái)監控(負荷控制)普通住宅、辦公樓、工廠(chǎng)等用電方的電力需求(負荷)。對發(fā)電端與負荷端進(jìn)行優(yōu)化控制，便可以提高電力系統的頻率穩定性及供電質(zhì)量。 新一代電網(wǎng)(即智能電網(wǎng))就應該具有上述功能，因此，全球的電力運營(yíng)商與相關(guān)廠(chǎng)商都迅速展開(kāi)了智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作(見(jiàn)圖2)。
在蓄電池方面，可以為每座大規模風(fēng)力發(fā)電站或太陽(yáng)能發(fā)電站建設數MW級的蓄電裝置；也可以為每一個(gè)配電網(wǎng)，或以普通住宅及辦公樓宇等為單位，分散安裝蓄電池。而在傳感器控制方面，可以通過(guò)控制用電方的負荷來(lái)降低峰值電力，實(shí)現電網(wǎng)的穩定。供電方要實(shí)時(shí)掌握以普通住宅家電為主的各種設備的電力消耗情況，用戶(hù)也要能夠實(shí)時(shí)了解自己的用電情況。 未來(lái)還可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)技術(shù)控制家電設備，強制性地控制電力消耗。譬如，在電力需求的峰值時(shí)段，強制將空調的設定溫度向上調整2℃。 新的市場(chǎng)需求 智能電網(wǎng)將會(huì )給電力系統行業(yè)帶來(lái)巨大的新需求。除了以往電力系統的傳統技術(shù)與產(chǎn)品外，智能電網(wǎng)很可能會(huì )需要一些全新的系統。這也是全球電子廠(chǎng)商紛紛進(jìn)入智能電網(wǎng)市場(chǎng)的原因。 宣布進(jìn)入智能電網(wǎng)市場(chǎng)的廠(chǎng)商遍布眾多行業(yè)，除了通用(GE)等電力行業(yè)的龍頭企業(yè)外，Google、IBM等公司也相繼表示出積極態(tài)度。 蓄電池就是未來(lái)智能電網(wǎng)的新興市場(chǎng)之一，除了著(zhù)手開(kāi)發(fā)大容量NAS(鈉硫)電池的日本礙子公司以外，開(kāi)發(fā)固定型鋰離子充電電池的東芝、三菱重工、日立制作所、美國A123系統等公司也瞄準了這一市場(chǎng)。 在傳感器控制方面，除了傳感器與通信模塊等部件外，測量設備耗電量的智能電表也備受關(guān)注。與普通電表相比，智能電表具有通信、用電管理、電費記賬等多種功能。將智能電表與用電設備相連接，電力公司就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與電表來(lái)管理設備的運行情況。多家廠(chǎng)商正在針對該領(lǐng)域進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 美國：負荷控制備受關(guān)注 在電網(wǎng)中安裝蓄電池，并通過(guò)負荷控制來(lái)實(shí)現最佳的供需平衡，這是智能電網(wǎng)的理想狀態(tài)。但是，由于電網(wǎng)情況、通信線(xiàn)路鋪設情況等的不同，世界各國、各地區實(shí)現這一理想狀態(tài)的過(guò)程也有所不同。 美國正在積極推進(jìn)智能電網(wǎng)的發(fā)展，目前已經(jīng)有29個(gè)州實(shí)施了RPS(可再生能源標準，renewable portfolio standards)，強制規定了可再生能源的引入比例。美國政府在更新電力基礎設施方面也提出了巨大的投資預算，到2030年投資總額將達到1.5萬(wàn)億美元(見(jiàn)圖3)。
圖3 美國在電力相關(guān)方面將投入1.5萬(wàn)億美元 據了解，美國的電網(wǎng)改革將經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：部署智能電表、普及推廣電力負荷控制設備、引入自主負荷控制系統。也就是說(shuō)，美國智能電網(wǎng)的重點(diǎn)是負荷控制。 美國的電網(wǎng)改革之所以從部署智能電表開(kāi)始，是因為該方案的成本較低。與大規模新建及改造電網(wǎng)相比，引入每臺僅需數十至數百美元的智能電表的初期投資成本較低，并能在比較短的時(shí)間內構建出新一代電網(wǎng)。 部署智能電表的另一個(gè)理由就是目前業(yè)界正在討論的汽車(chē)電動(dòng)化。美國政府已計劃到2015年普及100萬(wàn)輛插電式混合動(dòng)力車(chē)(PHEV)。當電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現大量普及后，就需要從家庭電網(wǎng)等進(jìn)行充電，這時(shí)也需要穩定的電網(wǎng)。 到那時(shí)，還必須考慮在發(fā)電端及用電端都構建通信網(wǎng)絡(luò )與傳感器網(wǎng)絡(luò )，以便實(shí)時(shí)監控電力狀況。這也可以作為用電方負荷控制的一環(huán)，比如控制充電開(kāi)始的時(shí)間等。這部分功能將由智能電表負責實(shí)現(見(jiàn)圖4)。
根據美國的設想，配置智能電表能夠培養包括普通用戶(hù)在內的用電方的節電意識。如果用電方能夠實(shí)時(shí)把握各時(shí)間段的電價(jià)、電力消耗狀況等具體信息，就會(huì )主動(dòng)減少浪費。這也是美國所期待的“可視化”效果。實(shí)際上，在美國，已有42個(gè)州開(kāi)始將部署智能電表作為州政策予以推行。 引入自主控制系統 美國智能電網(wǎng)建設的第2階段，是準備在2011年到2020年之間利用無(wú)線(xiàn)及有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，普及可對電力負荷進(jìn)行遠程控制的家電設備。這樣一來(lái)，電力運營(yíng)商就可以把握每個(gè)設備的耗電量與用電情況，根據供需狀況設定實(shí)時(shí)電價(jià)。 比如，GE公司將于2010年發(fā)布可通過(guò)智能電表進(jìn)行遠程控制的家電，惠而浦(Whirlpool)公司也計劃于2011年推出同類(lèi)家電設備。 智能電網(wǎng)的終極目標是到2030年左右引入可自主控制負荷的電力系統，對所有用電設備進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。此外，配電網(wǎng)內還將設置蓄電池，以構建可雙向控制電力的電網(wǎng)。據美國政府估計，到那時(shí)，PHEV也將大量普及，可以很方便地連到電網(wǎng)上。 日本：利用蓄電池 日本也正在推進(jìn)電網(wǎng)的升級，但其步驟與美國不同。在日本，從發(fā)電站到各配電網(wǎng)都已經(jīng)具有現成的傳感器網(wǎng)絡(luò )與通信網(wǎng)絡(luò )，可以監控電力情況。因此，電力運營(yíng)商對于通過(guò)了解用電方的用電情況來(lái)控制電力負荷的做法并不熱衷。 目前在日本備受期待的是蓄電池的靈活利用，其原因就在于日本引入太陽(yáng)能發(fā)電的模式。由于日本單門(mén)獨戶(hù)的建筑比較多，因此，以這些家庭為單位引入太陽(yáng)能發(fā)電的模式在日本得到迅速普及(見(jiàn)圖5)。
與計劃性構建的大規模太陽(yáng)能發(fā)電站不同，這種家庭式太陽(yáng)能發(fā)電的模式相當于是存在著(zhù)無(wú)數個(gè)小規模的發(fā)電站，因此每個(gè)配電網(wǎng)的發(fā)電量及變化量非常復雜。在這種背景下，日本認為利用蓄電池的方法會(huì )比較有效。 蓄電池的利用方法則與美國大體相同，以每個(gè)變電站為單位，進(jìn)行供需平衡最優(yōu)化。不過(guò)，在日本，由于太陽(yáng)能發(fā)電是以小規模建筑物為單位引入的，因此，如果在各建筑物內分別設置蓄電池，就可以在建筑物內部完成負荷控制，從而實(shí)現能源的最優(yōu)化。也就是說(shuō)，負荷控制不是以電力公司為單位，而是以建筑物為單位。這種小型負荷控制將遍布各地。 在這種情況下，地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商、電器廠(chǎng)商等電力公司以外的企業(yè)都準備進(jìn)入這一市場(chǎng)。例如，三洋電機已經(jīng)開(kāi)始在便利店進(jìn)行實(shí)證試驗。其測試環(huán)境包括10kW的太陽(yáng)能電池與10kWh的鋰離子充電電池、LED照明、工業(yè)空調、工業(yè)冷凍/冷藏庫等。當發(fā)電量較多時(shí)，或者儲存電力，或者降低冷凍庫或建筑物內的空調溫度，以進(jìn)行相應的負荷控制。三洋電機強化事業(yè)推進(jìn)本部新一代能源解決方案事業(yè)部推進(jìn)小組組長(cháng)花房寬表示：“我們已經(jīng)證明能夠降低30%以上的溫室氣體排放�！� 目前，日本將發(fā)展小規模建筑物內部的負荷控制；但今后，如果與電力公司引入的新一代電網(wǎng)進(jìn)行連接，那么未來(lái)的發(fā)展形態(tài)可能就更接近于美國的理想概念。 市場(chǎng)潛力 為了大量引入可再生能源，全球都在努力構建新一代電網(wǎng)。而新一代電網(wǎng)的誕生，除了可以更有效率地利用能源之外，還有可能創(chuàng )造出新的市場(chǎng)機會(huì )(見(jiàn)圖6)。
隨著(zhù)新一代電網(wǎng)的到來(lái)，可能還需要重新構建家庭內的信息網(wǎng)絡(luò )。目前的信息網(wǎng)絡(luò )是以PC與手機等數字家電設備為主，如果能夠實(shí)現智能電網(wǎng)，那么為了處理電力信息，所有用電設備(如洗衣機、冰箱等白色家電)都將連接到信息網(wǎng)絡(luò )上。這個(gè)連接所有用電設備的網(wǎng)絡(luò )中蘊藏著(zhù)無(wú)窮的可能性。就像當初本來(lái)用于軍事的因特網(wǎng)后來(lái)開(kāi)拓了繁榮的數字設備市場(chǎng)與通信網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)一樣，新一代電網(wǎng)很有可能也將創(chuàng )造出新的市場(chǎng)。 作者：《日經(jīng)電子》記者 狩集浩志 清水直茂 野澤哲生 Phil Keys 來(lái)源:電子設計應用2009年第12期 |
