結(jié)合風(fēng)能調(diào)節(jié)PHEV充電率 降低能耗

來自美國卡耐基梅隆大學(xué)的一只科研團隊近日在應(yīng)用能源雜志上發(fā)表了一篇專業(yè)論文，他們認(rèn)為把插電式混合動力汽車（PHEV）整合到汽車到電網(wǎng)系統(tǒng)中，并實施可控制充電操作，根據(jù)不同的情況可以降低54%到73%不等的費用。更具體的說，可控制充電可以為用戶節(jié)省將近一半的充電費用。相比于那些傳統(tǒng)的供電方式，如果加入20%的綠色風(fēng)能供電，費用可以相對減少大約5%到15%；而對于那些需要容量擴充的系統(tǒng)而言，節(jié)省電費甚至高達50%到60%。

作為美國發(fā)展最為迅速的一種電力資源，風(fēng)能被寄予厚望成為可再生能源發(fā)電最重要的組成部分。為了有效地接納這部分供電量不夠穩(wěn)定的能源，電網(wǎng)需要利用額外添加的適應(yīng)性部件，以便控制風(fēng)力發(fā)電的波動。為了讓電力網(wǎng)高效利用風(fēng)能，通常的做法是天然氣燃?xì)廨啓C發(fā)電廠根據(jù)風(fēng)能資源量的變化，及時響應(yīng)調(diào)整燃?xì)廨啓C電能輸出量，保證向電網(wǎng)中輸電總量的基本穩(wěn)定；最近的研究表明，通過燃?xì)廨啓C對風(fēng)能波動進行調(diào)節(jié)的手段，好的方面可以減少溫室氣體的排放，但是會增加氮氧化物（NOx）的排放量以及降低風(fēng)力發(fā)電總量。

包括插電式混合動力汽車和純電動汽車（BEV）在內(nèi)的所有插電式電動汽車（PEV）增加了人們對用電總量的需求，導(dǎo)致發(fā)電企業(yè)要向大氣中排放更多的廢氣。但是反過來這些車型也是提高電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性的一種有效工具，為了把可再生綠色能源添加到電網(wǎng)中，我們可以把插電式汽車用作電網(wǎng)儲能單元，電力網(wǎng)絡(luò)與車輛實現(xiàn)雙向連接（即電網(wǎng)可以為車輛充電，汽車也可以為電網(wǎng)提供多余電能），換句話說就是汽車到電網(wǎng)系統(tǒng)（V2G）。然而有關(guān)信息顯示，能源供應(yīng)領(lǐng)域中汽車到電網(wǎng)系統(tǒng)以及相關(guān)輔助服務(wù)所占的市場份額非常之小，從中獲利的潛能還非常有限，參與系統(tǒng)車輛充放電的次數(shù)也會大幅度增加，很大程度上縮減電池組的壽命。

通過調(diào)節(jié)插電式電動汽車的充電率可以一定程度上控制電能需求量，由此衍生出一種可供選擇的解決方案——不是消除風(fēng)力的波動，而是充電率隨著風(fēng)能波動而實時變化。這種處理方式不僅不會增加電池組的充放電次數(shù)，還有可能幫助延長電池組的使用壽命，因為較低的平均充電率可以使得電池組產(chǎn)生更少的熱量。在美國大量高品質(zhì)的風(fēng)能往往是在夜間產(chǎn)生的，可控制充電有助于合理利用這部分能量；在午夜時分其他電力負(fù)載都非常低，如果煤電廠僅僅由于為電動車充電而再次開始運轉(zhuǎn)，不但造成成本的增加，還要排放大量不必要的廢氣，而智能充電系統(tǒng)就能夠很好地解決這一問題。換句話說，電力企業(yè)可以多建立一些風(fēng)能儲能裝置，而適度減少熱電廠中燃?xì)廨啓C組的數(shù)量，在不必要的時候把多余的風(fēng)能引入儲能裝置，以減少電網(wǎng)系統(tǒng)能量的波動，這種做法是性價比、效能最高的。

卡耐基梅隆大學(xué)的這只科研團隊在有風(fēng)能和無風(fēng)能供應(yīng)兩種條件下，對可控制充電可能節(jié)省的成本費用進行評估，目的在于了解插電式電動汽車是否能幫助節(jié)約添加大量風(fēng)電的電力系統(tǒng)發(fā)電成本，還是可控制充電只單單能夠消除車輛到電網(wǎng)系統(tǒng)對車輛造成的副作用。在這次研究過程中，科研人員把焦點集中在了插電式混合動力汽車上，該車型在測評時無需改變電流驅(qū)動模式。他們?yōu)榱舜_定可控制充電的優(yōu)越性，還同時對快捷充電（車輛接入電網(wǎng)馬上開始充電，而且電流始終保持最大值）、延時充電（車輛接入電網(wǎng)在下次使用前一定時間，開始以最大電流充電）和只使用燃油的無充電過程展開測試，并且涉及高/低等級風(fēng)能水準(zhǔn)、大量/少量車輛接入電網(wǎng)以及高/低初始發(fā)電容量等各種可能情形。

科研團隊基于紐約電力調(diào)度系統(tǒng)（NYISO）構(gòu)建了一個混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，用于指導(dǎo)儲能擴充、發(fā)電廠調(diào)度和插電式混合動力汽車充電。另外他們采集每小時的風(fēng)力發(fā)電量和負(fù)載耗電量數(shù)據(jù)，并假定這些數(shù)據(jù)是不存在預(yù)測誤差的準(zhǔn)確信息，來確定合理的儲能擴充量和發(fā)電機組組合；然后把預(yù)測結(jié)果和15分鐘分析圖作比對，以便測評接下來一個小時供需電能的變化趨勢重要性。他們沒有評估整個發(fā)電廠的供電能力，取而代之重點對比了儲能充足的供電系統(tǒng)和那些需要提高容量的系統(tǒng)之間的區(qū)別。

在需要擴充電能總量的狀況下，可控制充電除了對運轉(zhuǎn)發(fā)電機組的數(shù)量有影響，還決定了哪種發(fā)電方式為最佳選擇以及需要繼續(xù)建造多少家發(fā)電廠。對于供應(yīng)電量穩(wěn)定的情況，可控制充電保證電網(wǎng)在無需增加儲能量的條件下就能夠滿足新增車輛負(fù)載，因為系統(tǒng)已經(jīng)事先儲備了15%的額外電能，來應(yīng)對這種狀況的發(fā)生。就所有可能情形而言，延時充電在某些條件下可以與可控制充電相當(dāng)，但大多數(shù)條件下節(jié)省的成本還是遠(yuǎn)不及可控制充電。不考慮電能總量是否需要擴充的情形，如果向電網(wǎng)系統(tǒng)添加20%的風(fēng)力電能，相比于無風(fēng)能系統(tǒng)，可控制充電將進一步減少6%到13%的花費。在絕大多數(shù)情況下，當(dāng)有10%或以上的插電式混合動力汽車采用可控制充電，這些車輛每年將各自節(jié)省100美金的充電開銷。

現(xiàn)在為電動汽車充電的費用已經(jīng)要低于為傳統(tǒng)汽車加油的費用，不久之后智能化車輛到電網(wǎng)系統(tǒng)又能夠控制車輛充電的速率，二者之間的差距將被再次拉大。電動汽車有望每年節(jié)約70美金的能源費用，如果電力系統(tǒng)采用高效的發(fā)電設(shè)備和風(fēng)能等再生能源，這一數(shù)字還會更高。

化石燃料發(fā)電廠在發(fā)電運轉(zhuǎn)過程中的花費較少，但是低成本往往會導(dǎo)致高廢氣排放，廢氣排放量的改變對人們身體健康和大氣環(huán)境帶來的影響是未來研究的一個方向?？蒲腥藛T還將展開更多的研究工作，以便更加細(xì)致全面地了解可控制充電的優(yōu)缺點。