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美國加利福尼亞州州長阿諾·施瓦辛格表示：“今后10年內，可再生能源的引入量將會上升至現在的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，全球都希望能夠大規模地發展風能、太陽能等可再生能源(見圖1)。 
美國計劃到2025年要使可再生能源發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%來自可再生能源。 但是，要想實現這些目標，還需要解決很多問題。可再生能源的發電量會隨氣象條件發生較大變化。例如，當沒有風時，風力發電的葉片就基本不會轉動；在太陽照射不到的地方，太陽能發電也發揮不了作用。而火力發電則不會受到天氣的影響，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，電網(電力系統)還可以吸收這部分的輸出變化。但是，如果要實現20%~30%的目標比例，那么目前電網的吸收能力肯定不夠，這將會導致電力系統頻率發生變化，引起停電事故或降低供電質量。 如果不能解決這一問題，可再生能源的引入計劃就只是畫餅充饑而已。 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，并通過傳感器加以控制。具體做法是：針對風力發電與太陽能發電的能源輸出，采用蓄電池作為緩沖來保證電網的穩定；再在網絡中安裝傳感器，用來監控(負荷控制)普通住宅、辦公樓、工廠等用電方的電力需求(負荷)。對發電端與負荷端進行優化控制，便可以提高電力系統的頻率穩定性及供電質量。 新一代電網(即智能電網)就應該具有上述功能，因此，全球的電力運營商與相關廠商都迅速展開了智能電網關鍵技術的研發工作(見圖2)。
在蓄電池方面，可以為每座大規模風力發電站或太陽能發電站建設數MW級的蓄電裝置；也可以為每一個配電網，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，可以通過控制用電方的負荷來降低峰值電力，實現電網的穩定。供電方要實時掌握以普通住宅家電為主的各種設備的電力消耗情況，用戶也要能夠實時了解自己的用電情況。 未來還可以通過無線或有線技術控制家電設備，強制性地控制電力消耗。譬如，在電力需求的峰值時段，強制將空調的設定溫度向上調整2℃。 新的市場需求 智能電網將會給電力系統行業帶來巨大的新需求。除了以往電力系統的傳統技術與產品外，智能電網很可能會需要一些全新的系統。這也是全球電子廠商紛紛進入智能電網市場的原因。 宣布進入智能電網市場的廠商遍布眾多行業，除了通用(GE)等電力行業的龍頭企業外，Google、IBM等公司也相繼表示出積極態度。 蓄電池就是未來智能電網的新興市場之一，除了著手開發大容量NAS(鈉硫)電池的日本礙子公司以外，開發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。 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網絡與電表來管理設備的運行情況。多家廠商正在針對該領域進行產品開發。 美國：負荷控制備受關注 在電網中安裝蓄電池，并通過負荷控制來實現最佳的供需平衡，這是智能電網的理想狀態。但是，由于電網情況、通信線路鋪設情況等的不同，世界各國、各地區實現這一理想狀態的過程也有所不同。 美國正在積極推進智能電網的發展，目前已經有29個州實施了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1.5萬億美元(見圖3)。
圖3 美國在電力相關方面將投入1.5萬億美元 據了解，美國的電網改革將經歷以下幾個階段：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，美國智能電網的重點是負荷控制。 美國的電網改革之所以從部署智能電表開始，是因為該方案的成本較低。與大規模新建及改造電網相比，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，并能在比較短的時間內構建出新一代電網。 部署智能電表的另一個理由就是目前業界正在討論的汽車電動化。美國政府已計劃到2015年普及100萬輛插電式混合動力車(PHEV)。當電動汽車實現大量普及后，就需要從家庭電網等進行充電，這時也需要穩定的電網。 到那時，還必須考慮在發電端及用電端都構建通信網絡與傳感器網絡，以便實時監控電力狀況。這也可以作為用電方負荷控制的一環，比如控制充電開始的時間等。這部分功能將由智能電表負責實現(見圖4)。
根據美國的設想，配置智能電表能夠培養包括普通用戶在內的用電方的節電意識。如果用電方能夠實時把握各時間段的電價、電力消耗狀況等具體信息，就會主動減少浪費。這也是美國所期待的“可視化”效果。實際上，在美國，已有42個州開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 美國智能電網建設的第2階段，是準備在2011年到2020年之間利用無線及有線網絡，普及可對電力負荷進行遠程控制的家電設備。這樣一來，電力運營商就可以把握每個設備的耗電量與用電情況，根據供需狀況設定實時電價。 比如，GE公司將于2010年發布可通過智能電表進行遠程控制的家電，惠而浦(Whirlpool)公司也計劃于2011年推出同類家電設備。 智能電網的終極目標是到2030年左右引入可自主控制負荷的電力系統，對所有用電設備進行實時管理。此外，配電網內還將設置蓄電池，以構建可雙向控制電力的電網。據美國政府估計，到那時，PHEV也將大量普及，可以很方便地連到電網上。 日本：利用蓄電池 日本也正在推進電網的升級，但其步驟與美國不同。在日本，從發電站到各配電網都已經具有現成的傳感器網絡與通信網絡，可以監控電力情況。因此，電力運營商對于通過了解用電方的用電情況來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能發電的模式。由于日本單門獨戶的建筑比較多，因此，以這些家庭為單位引入太陽能發電的模式在日本得到迅速普及(見圖5)。
與計劃性構建的大規模太陽能發電站不同，這種家庭式太陽能發電的模式相當于是存在著無數個小規模的發電站，因此每個配電網的發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比較有效。 蓄電池的利用方法則與美國大體相同，以每個變電站為單位，進行供需平衡最優化。不過，在日本，由于太陽能發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，從而實現能源的最優化。也就是說，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，地產開發商、電器廠商等電力公司以外的企業都準備進入這一市場。例如，三洋電機已經開始在便利店進行實證試驗。其測試環境包括10kW的太陽能電池與10kWh的鋰離子充電電池、LED照明、工業空調、工業冷凍/冷藏庫等。當發電量較多時，或者儲存電力，或者降低冷凍庫或建筑物內的空調溫度，以進行相應的負荷控制。三洋電機強化事業推進本部新一代能源解決方案事業部推進小組組長花房寬表示：“我們已經證明能夠降低30%以上的溫室氣體排放。” 目前，日本將發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進行連接，那么未來的發展形態可能就更接近于美國的理想概念。 市場潛力 為了大量引入可再生能源，全球都在努力構建新一代電網。而新一代電網的誕生，除了可以更有效率地利用能源之外，還有可能創造出新的市場機會(見圖6)。
隨著新一代電網的到來，可能還需要重新構建家庭內的信息網絡。目前的信息網絡是以PC與手機等數字家電設備為主，如果能夠實現智能電網，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)都將連接到信息網絡上。這個連接所有用電設備的網絡中蘊藏著無窮的可能性。就像當初本來用于軍事的因特網后來開拓了繁榮的數字設備市場與通信網絡市場一樣，新一代電網很有可能也將創造出新的市場。 作者：《日經電子》記者 狩集浩志 清水直茂 野澤哲生 Phil Keys 來源:電子設計應用2009年第12期 |
