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實(shí)踐出真知：意大利智能電網(wǎng)

在位于薩沃納的熱那亞大學(xué)校園里，西門子與來(lái)自這所高校的研究人員聯(lián)合建造了一個(gè)電網(wǎng)，它整合了常規(guī)發(fā)電設(shè)施、可再生能源發(fā)電設(shè)施以及蓄電設(shè)備。該項(xiàng)目旨在研發(fā)面向城市的微電網(wǎng)概念。項(xiàng)目的合作雙方大獲成功。西門子和意大利的Enel電力公司將在2015年米蘭世界博覽會(huì)上，展出這個(gè)已幫助熱那亞大學(xué)大幅降低電費(fèi)的智能電網(wǎng)。

高聳入云的金屬拋物面反射器，看上去像是巨大的碟形衛(wèi)星天線。然而，它的作用并非接收世界各地電視臺(tái)發(fā)送的信號(hào)，而是捕集環(huán)保太陽(yáng)能。在其焦點(diǎn)，循環(huán)液體被加熱，從而采集太陽(yáng)能。除不排放二氧化碳的熱能之外，這種集中式太陽(yáng)能系統(tǒng)（CSP）還能以可持續(xù)發(fā)展的方式發(fā)電。譬如，在日照充足的西班牙和加利福尼亞州等地區(qū)，輸出功率高達(dá)數(shù)千千瓦的大型CSP設(shè)施已經(jīng)投入運(yùn)行。

然而，在城市中心，也可以部署小規(guī)模CSP設(shè)施，如在位于意大利北部，距離熱那亞約45公里的小城薩沃納。這里安裝的三套拋物面反射器可以生產(chǎn)3千瓦電能、9千瓦熱能。它們是一個(gè)*特項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目建造的意大利一個(gè)微電網(wǎng)已于2014年初投入運(yùn)行，而現(xiàn)在它還將為適用于整個(gè)城市和區(qū)域的類似解決方案提供參考。未來(lái)，這種智能配電網(wǎng)絡(luò)將整合不同的常規(guī)發(fā)電設(shè)施、可再生能源發(fā)電設(shè)施，以及蓄電設(shè)備、可控用電設(shè)備，從而形成一個(gè)既環(huán)保又可靠的供電系統(tǒng)。自給自足型微電網(wǎng)能在靠近較終用戶的地方發(fā)電，它們是發(fā)展未來(lái)分布式電力系統(tǒng)**的環(huán)節(jié)。

這個(gè)微電網(wǎng)可滿足熱那亞大學(xué)大約一半的用電需求（每年100萬(wàn)度） 

西門子正在**范圍內(nèi)與諸如熱那亞大學(xué)等研究伙伴合作，共同開(kāi)發(fā)適用于這種將在今后幾年為社區(qū)、城市和企業(yè)供電的微電網(wǎng)的新型解決方案。熱那亞大學(xué)與意大利研究部聯(lián)合開(kāi)展的智能多聯(lián)產(chǎn)微電網(wǎng)（SPM）計(jì)劃，出資240萬(wàn)歐元扶持該項(xiàng)目，西門子受托建造了整個(gè)系統(tǒng)。

過(guò)去，熱那亞大學(xué)校園從公共電網(wǎng)獲得電能，并運(yùn)行著一套配備了兩臺(tái)鍋爐的大型天然氣采暖設(shè)備。而自從該微電網(wǎng)投運(yùn)之后，此網(wǎng)則可滿足熱那亞大學(xué)大約一半的用電需求——每年100萬(wàn)度。在這個(gè)系統(tǒng)中，除這三套CSP拋物面反射鏡外，還部署了一個(gè)較大輸出功率為80千瓦的光伏電站，以及三臺(tái)能生產(chǎn)250千瓦電能、300千瓦熱能的微型燃?xì)廨啓C(jī)。此外，這個(gè)系統(tǒng)還包含：用于加熱和制冷的吸收式制冷機(jī)、兩座電動(dòng)汽車充電站、兩套蓄熱設(shè)備，以及蓄電容量為100度的鈉鎳電池，因而，譬如，在風(fēng)力不大、陽(yáng)光也不明媚，并且天然氣價(jià)格碰巧相對(duì)較高的時(shí)候，它能夠?yàn)樾@供應(yīng)三小時(shí)電能。

西門子提供的DEMS系統(tǒng)，能對(duì)所有電能流動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控

此SPM系統(tǒng)還只是為薩沃納的熱那亞大學(xué)校園供電。SPM計(jì)劃主管Federico Delfino教授表示，“其實(shí)，我們的校園和一個(gè)完整的城市社區(qū)十分類似，因?yàn)樗ń虒W(xué)樓、辦公樓、餐廳和修理廠。我們的校園占地6萬(wàn)平方米，共有10棟建筑物，在校生大約1,700人。”

此SPM系統(tǒng)的核心是SICAM微電網(wǎng)管理器，它連接至西門子的智能電力管理系統(tǒng)（分布式電力管理系統(tǒng)，DEMS）和SICAM PAS SCADA系統(tǒng)。DEMS使用智能電表來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有電能流動(dòng)情況，確保所有發(fā)電設(shè)備和裝置優(yōu)化運(yùn)行。此外，它可以借助歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前信息，生成耗電預(yù)測(cè)，譬如，針對(duì)即將在實(shí)驗(yàn)室里開(kāi)展的耗電量巨大的實(shí)驗(yàn)，做出預(yù)測(cè)。它還可根據(jù)天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)可再生能源發(fā)電設(shè)施的發(fā)電量。這些預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率高達(dá)80%，因此，這個(gè)系統(tǒng)可以提前規(guī)劃燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行。當(dāng)供電量足夠多時(shí)，DEMS將對(duì)SPM系統(tǒng)中的蓄電設(shè)備進(jìn)行充電，以便進(jìn)一步降低能耗、節(jié)省成本。Delfino解釋道，“控制和管理要求特別嚴(yán)格，因?yàn)槲覀儽仨毻瑫r(shí)優(yōu)化電氣和供熱系統(tǒng)。在這方面，我們的SPM系統(tǒng)在**上亦屬**。”

SCADA系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、顯示、控制整套設(shè)施

該項(xiàng)目較大的挑戰(zhàn)之一，是確保集中采集并保存系統(tǒng)組件傳出的所有數(shù)據(jù)。盡管IEC 61850-7-420標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了適用于智能電網(wǎng)組件的通信協(xié)議，但低壓設(shè)備制造商更愿意使用簡(jiǎn)單一些的標(biāo)準(zhǔn)，這意味著有關(guān)設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器較初并不具備“共同語(yǔ)言”。另一個(gè)問(wèn)題，是所有這些組件都是為專有監(jiān)控程序而設(shè)計(jì)的，難以輕松支持集中式SCADA程序。SCADA是“Supervisory Control and Data Acquisition（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）”的首字母縮寫，它由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，可以監(jiān)測(cè)、直觀顯示并控制整套設(shè)施。薩沃納選用的是基于西門子SIMATIC WinCC平臺(tái)的SICAM PAS系統(tǒng)。該系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)、控制所有組件，并直觀顯示它們的狀態(tài)和工況。Delfino解釋道，“為了解決通信問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了能將各設(shè)備的不同協(xié)議，轉(zhuǎn)換為IEC 61850-7-420標(biāo)準(zhǔn)的電路，然后，我們?cè)谡麄€(gè)校園里均安裝了這種電路。這樣一來(lái)，這些設(shè)備之間的相互‘理解’，就再也沒(méi)有任何困難。”

熱那亞大學(xué)每年的電費(fèi)從30萬(wàn)歐元降至20萬(wàn)歐元

該電網(wǎng)已投運(yùn)近一年時(shí)間，研究人員對(duì)此十分滿意。熱那亞大學(xué)無(wú)疑獲益匪淺。Delfino說(shuō)：“我們已可滿足自身一半左右的用電需求。此外，SPM的設(shè)計(jì)允許我們?cè)谖磥?lái)進(jìn)一步集成更多可再生能源發(fā)電設(shè)施，這將助力我們做到用電完全自給自足。這樣的自給自足很重要，特別是在尚未接通公共電網(wǎng)或電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū)。我們的電費(fèi)也從每年30萬(wàn)歐元，降至20萬(wàn)歐元，二氧化碳排放量則從每年820噸，減少至700噸。”Delfino認(rèn)為，所有這些成就，證明了微電網(wǎng)的可行性、有效性。現(xiàn)在，重要的是要開(kāi)展更大規(guī)模的新項(xiàng)目。為此，他已經(jīng)聯(lián)系了其他意大利城市。他也定期接待來(lái)自世界各地——包括中國(guó)、沙特阿拉伯和韓國(guó)——的參觀者。

在西門子，Bernd Koch負(fù)責(zé)微電網(wǎng)業(yè)務(wù)拓展，他也認(rèn)為，再也沒(méi)有任何障礙阻止這種智能電網(wǎng)的商業(yè)化應(yīng)用。Koch說(shuō)：“在薩沃納，我們使用的全部是當(dāng)前市場(chǎng)上買得到的組件，用于操作系統(tǒng)的算法也非常可靠。總體而言，SPM符合我們的期望，有時(shí)甚至明顯**出期望。”為了盡快將這項(xiàng)新技術(shù)推向市場(chǎng)，西門子還參與了其他參考項(xiàng)目，譬如，在溫哥華的不列顛哥倫比亞理工學(xué)院和英國(guó)的紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)開(kāi)展的項(xiàng)目。在加拿大項(xiàng)目中，所建電網(wǎng)僅由太陽(yáng)能電池板和蓄電裝置組成，如電池和電動(dòng)汽車，未使用礦物燃料。紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)項(xiàng)目則側(cè)重于配電網(wǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)采集和電網(wǎng)控制，因?yàn)檫@是對(duì)優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行的新算法進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)

未來(lái)智能電網(wǎng)亮相米蘭世界博覽會(huì)

在將于今年5月1日至10月31日舉辦的2015年米蘭世界博覽會(huì)上，公眾可以親眼目睹未來(lái)的智能電網(wǎng)。意大利Enel電力公司將采用西門子技術(shù)，在世博會(huì)場(chǎng)館內(nèi)搭建一個(gè)智能電網(wǎng)，它將覆蓋所有展廳、輸電網(wǎng)絡(luò)和電動(dòng)汽車充電站。智能電表將實(shí)時(shí)提供能耗數(shù)據(jù)，SCADA系統(tǒng)將控制并直觀顯示整個(gè)電網(wǎng)，西門子DESIGO樓宇管理系統(tǒng)將優(yōu)化所有展廳的能耗。參觀者將能看到，某一時(shí)刻，世博會(huì)使用的是哪種電能資源，以及對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行智能控制，是怎樣提高總體系統(tǒng)效率的。此外，還將設(shè)置一個(gè)“智慧城市控制中心”，以展示未來(lái)將如何優(yōu)化管理整座城市的電力分配。

西門子和來(lái)自熱那亞大學(xué)的研究人員已經(jīng)為此奠定了基礎(chǔ)，正如Delfino所解釋的那樣，“現(xiàn)在已經(jīng)可以相對(duì)輕松地在小城市和較大城區(qū)，部署我們的智能電網(wǎng)。”

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滿足日本用電需求的新概念

或許有一天，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠會(huì)離開(kāi)日本海岸，漂到大海上。西門子與挪威的Sevan Marine公司正在研發(fā)這種不受地震和海嘯影響的電廠解決方案。

2011年3月，日本東部發(fā)生地震，海嘯吞噬了沿海地區(qū)的大片土地。這場(chǎng)災(zāi)難導(dǎo)致福島核電站堆芯熔毀，迫使日本關(guān)閉核反應(yīng)堆。在此之前，核電滿足日本近三分之一的用電需求。現(xiàn)在，為了減少石油和天然氣進(jìn)口量，日本**意欲逐步恢復(fù)48座核反應(yīng)堆的運(yùn)行。然而，面對(duì)日本民眾高漲的反對(duì)之聲，核反應(yīng)堆重新啟動(dòng)的明確日程依然“猶抱琵琶半遮面”。日本也需要借助更多替代解決方案，在下一次地震來(lái)襲時(shí)，維持安全的電力供應(yīng)。因此，日本需要另辟蹊徑，實(shí)現(xiàn)安全、環(huán)保的電力供應(yīng)。

浮式電廠

為此，2014年秋季，專為石油和天然氣行業(yè)開(kāi)發(fā)海上平臺(tái)的挪威Sevan Marine公司提出了一個(gè)非同尋常的建議。攜手西門子，Sevan Marine公司提出了建造能夠停泊在海上的浮式電廠的概念。譬如，這樣一座電廠可以使用液化天然氣（LNG）發(fā)電，向陸地輸送70萬(wàn)千瓦電能。這個(gè)建議獲得了日本國(guó)土交通省的**，因?yàn)樵谶@個(gè)群山綿延的島國(guó)，適于建造能在地震和海嘯中安然無(wú)恙的礦物燃料電廠的地方不多。此外，許多人都不愿讓發(fā)電站建在自家附近。

Fredrik Major是Sevan Marine公司的業(yè)務(wù)發(fā)展負(fù)責(zé)人，他說(shuō)：“我們較初想到建造浮式電廠是在2006年。那時(shí)候，我們正在探索能夠通過(guò)將沒(méi)有商業(yè)價(jià)值的所謂‘閑置天然氣’，用作集成了二氧化碳捕集和回注系統(tǒng)的浮式電廠的燃料，來(lái)幫助挪威減少二氧化碳的排放。這種浮式電廠，旨在為海上的石油和天然氣設(shè)施供應(yīng)清潔電能，以及向陸上電網(wǎng)輸送電能，以取代不具備二氧化碳捕集和封存能力的燃?xì)怆姀S。”閑置天然氣是海上石油和天然氣鉆井平臺(tái)生產(chǎn)作業(yè)的副產(chǎn)品。從那時(shí)起，西門子一直在參與這個(gè)項(xiàng)目，設(shè)在奧斯陸的西門子石油和天然氣業(yè)務(wù)部的**工程師Vemund Kaarstad補(bǔ)充道。

Major指出，“在遼闊的大海上，海嘯和地震不會(huì)造成毀滅性的破壞。事實(shí)上，水深只需要達(dá)到50米以上即可。浮式電廠必須距離陸地多遠(yuǎn)，取決于沿海海床的陡峭程度，以及其與航道和居住區(qū)之間的較小安全距離。”

Sevan Marine公司將為浮式電廠提供由直徑達(dá)106米的圓柱形船體構(gòu)成的基座。龐大的船體將通過(guò)鏈條，被錨定到海床上的三個(gè)點(diǎn)。上部結(jié)構(gòu)由多層甲板組成，高出水線約50米。電廠將包含一套聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，這是一種同時(shí)配備了燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)的發(fā)電裝置。它還將具備可以容納約20名工作人員的宿舍，以及用于將電能輸送至陸地的高壓輸電系統(tǒng)。這項(xiàng)技術(shù)與海上風(fēng)電場(chǎng)所用技術(shù)完全相同，不過(guò)，由于浮式電廠要儲(chǔ)存大量易燃?xì)怏w，它還將采取額外的安全措施。取決于電廠所在地點(diǎn)，既可以由油輪為其供給LNG，也可以通過(guò)陸上管道，向其輸送天然氣。電廠的7個(gè)LNG儲(chǔ)罐可以儲(chǔ)存近20萬(wàn)立方米燃料，這足夠它以70萬(wàn)千瓦的發(fā)電功率運(yùn)行30天時(shí)間。這座電廠還將配備一套再氣化裝置，用于將LNG轉(zhuǎn)換回氣態(tài)，以供燃燒。平臺(tái)和液化天然氣儲(chǔ)罐可由日本造船廠制造。

能效高達(dá)近55%

另一方面，西門子將提供兩套35萬(wàn)千瓦的發(fā)電裝置。每套發(fā)電裝置都將配備5臺(tái)SGT 800燃?xì)廨啓C(jī)。這是一款經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的燃?xì)廨啓C(jī)型號(hào)，譬如，它也被用于大型工業(yè)設(shè)施。每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)都將連接一臺(tái)余熱鍋爐，后者可利用燃?xì)廨啓C(jī)排放的尾氣來(lái)生產(chǎn)蒸汽，以供蒸汽輪機(jī)及其配套發(fā)電機(jī)用于生產(chǎn)更多電能。這樣一來(lái)，這套發(fā)電裝置的總能效將達(dá)到近55%。發(fā)電量還可以通過(guò)關(guān)閉和開(kāi)啟個(gè)別燃?xì)廨啓C(jī)，按7萬(wàn)千瓦的步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在瑞典Finsp?ng，西門子的Johan Hansson和他的同事們正在為這個(gè)日本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)電廠解決方案，他表示，“我們的解決方案使用的所有技術(shù)都是已在實(shí)踐中證明了其價(jià)值的現(xiàn)有技術(shù)。” 西門子還將負(fù)責(zé)通過(guò)海底高壓輸電線路，將電廠連接至日本電網(wǎng)。

這個(gè)概念的關(guān)鍵要素之一，是平臺(tái)的圓柱形設(shè)計(jì)。這種圓形漂浮物在波濤中移動(dòng)的方式，不同于狹長(zhǎng)的船身。這種圓形漂浮物不是繞縱軸橫搖，繞橫軸縱搖，而是隨波起伏。Hansson解釋道，“相比于快速旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)的臨界值，它的橫搖和縱搖幅度小得多。正因如此，我們才能使用成熟的發(fā)電裝置組件。”多年來(lái)，在北海和巴西海岸用作海上鉆井和開(kāi)采平臺(tái)的圓形結(jié)構(gòu)物，已經(jīng)證明它們適于海上應(yīng)用。 其圓形外形，也是使用能輸送大量電能的海底高壓輸電線路的前提條件。圓形船身能夠系泊在固定方向上，而狹長(zhǎng)的船身則不得不隨波旋轉(zhuǎn)，才能讓船頭昂起，故要求通過(guò)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來(lái)輸送電能。當(dāng)前市場(chǎng)上的旋轉(zhuǎn)式輸電技術(shù)，只能達(dá)到1-2萬(wàn)千瓦左右。

只是，這樣的解決方案是否經(jīng)濟(jì)劃算？Kaarstad說(shuō)：“距離海岸越近，輸電費(fèi)用越低。然而，電廠選址還必須考慮到諸如漁場(chǎng)和主要航道等其他因素。”無(wú)論如何，日本都要進(jìn)口液化天然氣，在海上供應(yīng)這種燃料，比在陸地上更為容易。海上電廠的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，是它不需要任何冷卻塔，因?yàn)橹車暮Ｋ軐⒅鋮s。當(dāng)?shù)卣饘?duì)陸地電廠造成損壞時(shí)，海上電廠還能作為重要的備用系統(tǒng)。

如果未來(lái)日本要大規(guī)模利用海上風(fēng)電，這個(gè)系統(tǒng)也允許實(shí)現(xiàn)另一個(gè)創(chuàng)意。Kaarstad說(shuō)：“浮式燃?xì)怆姀S可以與海上風(fēng)電場(chǎng)相組合。”這是因?yàn)椋Ｉ巷L(fēng)電場(chǎng)要求為輸電系統(tǒng)提供*平臺(tái)。如果同時(shí)在這個(gè)平臺(tái)上安裝了LNG發(fā)電裝置，那么，它就可以彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電量的波動(dòng)。這樣一來(lái)，風(fēng)電場(chǎng)就可以持續(xù)供應(yīng)電能，同時(shí)更好地利用其輸電線路，因?yàn)槊慨?dāng)風(fēng)力不足時(shí)，都將使用天然氣來(lái)發(fā)電。在日本安裝這樣的海上風(fēng)電設(shè)施頗具挑戰(zhàn)，因?yàn)槿毡竞０兜南陆岛芏福荒懿捎妙愃朴诒焙\水區(qū)的方式，將風(fēng)電機(jī)組固定到海床上。然而現(xiàn)在，在一個(gè)名為“Fukushima Forward（福島向前沖）”的計(jì)劃中，日本正在福島海岸附近，建造配有浮式風(fēng)電機(jī)組的示范風(fēng)電場(chǎng)。不論這個(gè)項(xiàng)目最后怎樣發(fā)展，來(lái)自Sevan Marine公司和西門子的團(tuán)隊(duì)都準(zhǔn)備在日本海岸附近安裝其自有創(chuàng)新系統(tǒng)。Major表示，“只要日本方面同意，并且找到合適的建造地點(diǎn)，我們就能在4年之內(nèi)將這樣一座電廠投入運(yùn)行。”

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