结合风能调节PHEV充电率 降低能耗

    来自美国卡耐基梅隆大学的一只科研团队近日在应用能源杂志上发表了一篇专业论文，他们认为把插电式混合动力汽车（PHEV）整合到汽车到电网系统中，并实施可控制充电操作，根据不同的情况可以降低54%到73%不等的费用。更具体的说，可控制充电可以为用户节省将近一半的充电费用。相比于那些传统的供电方式，如果加入20%的绿色风能供电，费用可以相对减少大约5%到15%；而对于那些需要容量扩充的系统而言，节省电费甚至高达50%到60%。

    作为美国发展最为迅速的一种电力资源，风能被寄予厚望成为可再生能源发电最重要的组成部分。为了有效地接纳这部分供电量不够稳定的能源，电网需要利用额外添加的适应性部件，以便控制风力发电的波动。为了让电力网高效利用风能，通常的做法是天然气燃气轮机发电厂根据风能资源量的变化，及时响应调整燃气轮机电能输出量，保证向电网中输电总量的基本稳定；最近的研究表明，通过燃气轮机对风能波动进行调节的手段，好的方面可以减少温室气体的排放，但是会增加氮氧化物（NOx）的排放量以及降低风力发电总量。

    包括插电式混合动力汽车和纯电动汽车（BEV）在内的所有插电式电动汽车（PEV）增加了人们对用电总量的需求，导致发电企业要向大气中排放更多的废气。但是反过来这些车型也是提高电网系统灵活性的一种有效工具，为了把可再生绿色能源添加到电网中，我们可以把插电式汽车用作电网储能单元，电力网络与车辆实现双向连接（即电网可以为车辆充电，汽车也可以为电网提供多余电能），换句话说就是汽车到电网系统（V2G）。然而有关信息显示，能源供应领域中汽车到电网系统以及相关辅助服务所占的市场份额非常之小，从中获利的潜能还非常有限，参与系统车辆充放电的次数也会大幅度增加，很大程度上缩减电池组的寿命。

    通过调节插电式电动汽车的充电率可以一定程度上控制电能需求量，由此衍生出一种可供选择的解决方案——不是消除风力的波动，而是充电率随着风能波动而实时变化。这种处理方式不仅不会增加电池组的充放电次数，还有可能帮助延长电池组的使用寿命，因为较低的平均充电率可以使得电池组产生更少的热量。在美国大量高品质的风能往往是在夜间产生的，可控制充电有助于合理利用这部分能量；在午夜时分其他电力负载都非常低，如果煤电厂仅仅由于为电动车充电而再次开始运转，不但造成成本的增加，还要排放大量不必要的废气，而智能充电系统就能够很好地解决这一问题。换句话说，电力企业可以多建立一些风能储能装置，而适度减少热电厂中燃气轮机组的数量，在不必要的时候把多余的风能引入储能装置，以减少电网系统能量的波动，这种做法是性价比、效能最高的。

    卡耐基梅隆大学的这只科研团队在有风能和无风能供应两种条件下，对可控制充电可能节省的成本费用进行评估，目的在于了解插电式电动汽车是否能帮助节约添加大量风电的电力系统发电成本，还是可控制充电只单单能够消除车辆到电网系统对车辆造成的副作用。在这次研究过程中，科研人员把焦点集中在了插电式混合动力汽车上，该车型在测评时无需改变电流驱动模式。他们为了确定可控制充电的优越性，还同时对快捷充电（车辆接入电网马上开始充电，而且电流始终保持最大值）、延时充电（车辆接入电网在下次使用前一定时间，开始以最大电流充电）和只使用燃油的无充电过程展开测试，并且涉及高/低等级风能水准、大量/少量车辆接入电网以及高/低初始发电容量等各种可能情形。

    科研团队基于纽约电力调度系统（NYISO）构建了一个混合整数线性规划模型，用于指导储能扩充、发电厂调度和插电式混合动力汽车充电。另外他们采集每小时的风力发电量和负载耗电量数据，并假定这些数据是不存在预测误差的准确信息，来确定合理的储能扩充量和发电机组组合；然后把预测结果和15分钟分析图作比对，以便测评接下来一个小时供需电能的变化趋势重要性。他们没有评估整个发电厂的供电能力，取而代之重点对比了储能充足的供电系统和那些需要提高容量的系统之间的区别。

    在需要扩充电能总量的状况下，可控制充电除了对运转发电机组的数量有影响，还决定了哪种发电方式为最佳选择以及需要继续建造多少家发电厂。对于供应电量稳定的情况，可控制充电保证电网在无需增加储能量的条件下就能够满足新增车辆负载，因为系统已经事先储备了15%的额外电能，来应对这种状况的发生。就所有可能情形而言，延时充电在某些条件下可以与可控制充电相当，但大多数条件下节省的成本还是远不及可控制充电。不考虑电能总量是否需要扩充的情形，如果向电网系统添加20%的风力电能，相比于无风能系统，可控制充电将进一步减少6%到13%的花费。在绝大多数情况下，当有10%或以上的插电式混合动力汽车采用可控制充电，这些车辆每年将各自节省100美金的充电开销。

    现在为电动汽车充电的费用已经要低于为传统汽车加油的费用，不久之后智能化车辆到电网系统又能够控制车辆充电的速率，二者之间的差距将被再次拉大。电动汽车有望每年节约70美金的能源费用，如果电力系统采用高效的发电设备和风能等再生能源，这一数字还会更高。

    化石燃料发电厂在发电运转过程中的花费较少，但是低成本往往会导致高废气排放，废气排放量的改变对人们身体健康和大气环境带来的影响是未来研究的一个方向。科研人员还将展开更多的研究工作，以便更加细致全面地了解可控制充电的优缺点。