在愛(ài)爾蘭根，西門子研究人員正在研制未來(lái)的智能電網(wǎng)。這種電網(wǎng)不僅能將各種類型的用電設(shè)備和供電設(shè)施連接起來(lái)，而且可以整合樓宇系統(tǒng)組件。其思路是將所有能源系統(tǒng)合并起來(lái)，使之以盡可能的方式，供應(yīng)電能、暖氣、冷氣和飲用水。

Rolf Hellinger博士（左）和Sebastian Nielebock（右）率領(lǐng)的西門子智能電網(wǎng)團(tuán)隊(duì)，可以“建造”幾乎任何類型的智能電網(wǎng)。

西門子開(kāi)發(fā)工程師Sebastian Nielebock正在他的便攜式電腦上查看一長(zhǎng)串?dāng)?shù)值。他說(shuō)：“這些是光伏逆變器的參數(shù)。我們正在優(yōu)化這些參數(shù)，以確保不論在任何負(fù)載條件下，我們的小型電網(wǎng)都能保持穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。”這個(gè)小型電網(wǎng)由一個(gè)機(jī)柜大小的電池和配備了用于將組件連接至電網(wǎng)的逆變器的控制機(jī)柜構(gòu)成。這些組件包括蓄電裝置以及光伏發(fā)電設(shè)備和風(fēng)電機(jī)組。換句話說(shuō)，這個(gè)小型電網(wǎng)代表了向購(gòu)物中心、醫(yī)院和酒店等輸送電能的典型配置——哪怕并未連接至電網(wǎng)。取決于日照強(qiáng)度，電池既可以臨時(shí)儲(chǔ)存過(guò)剩電能，也可以在需要的時(shí)候向獨(dú)立電網(wǎng)輸送電能。如果需求大幅增長(zhǎng)，還可以快速啟用柴油發(fā)電機(jī)。

即便此刻太陽(yáng)躲在云層背后，柴油發(fā)電機(jī)也并未運(yùn)行，這個(gè)小型電網(wǎng)依然在起勁地工作。這是因?yàn)樗⒎且蛔蟪鞘械碾娋W(wǎng)，而是設(shè)置在位于德國(guó)愛(ài)爾蘭根的西門子分布式多聯(lián)產(chǎn)發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中心。在這里，來(lái)自西門子中央研究院（CT）的研究人員可以在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)未來(lái)的智能電網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。在面積達(dá)170平方米的實(shí)驗(yàn)大廳里，實(shí)驗(yàn)室的專家們可以創(chuàng)建幾乎任何類型的智能電網(wǎng)。除電池機(jī)柜、熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、地方電網(wǎng)調(diào)壓變壓器、各式各樣的電力負(fù)載和數(shù)十個(gè)逆變器之外，這座設(shè)施還包含了兩臺(tái)制冷設(shè)備和一套飲用水凈化系統(tǒng)。由于應(yīng)用場(chǎng)合各不相同，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的20名員工中包含了熱動(dòng)力學(xué)專家和過(guò)程自動(dòng)化專家，他們與電氣工程師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家并肩合作。

目標(biāo)是將多種不同類型的能源資源合并起來(lái)，確保以、環(huán)保的方式，供應(yīng)電能、暖氣、冷氣和飲用水。

利用實(shí)驗(yàn)室的眾多設(shè)備，研究小組可以復(fù)制出各種類型的小規(guī)模智能電網(wǎng)。譬如，柴油發(fā)電機(jī)可以扮演熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電裝置或生物質(zhì)反應(yīng)堆的角色。重要的是，波動(dòng)型電能和常規(guī)電能的比例，與所要模擬的實(shí)際電網(wǎng)情況相對(duì)應(yīng)。短短幾年之內(nèi)，這樣的智能電網(wǎng)將變得非常普遍。這是因?yàn)椋S著電網(wǎng)從波動(dòng)型發(fā)電設(shè)施吸納越來(lái)越多的電能，將需要借助智能控制系統(tǒng)來(lái)確保分布式供電設(shè)施之間實(shí)現(xiàn)的交互作用。不然的話，則會(huì)發(fā)生可能導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p害的斷電事件。

而這正是Nielebock想要防止的。現(xiàn)在，他正在模擬在強(qiáng)烈的日照下，光伏發(fā)電設(shè)備的逆變器生產(chǎn)了大量電能的情況。Nielebock解釋道：“如果這導(dǎo)致電網(wǎng)中的電能過(guò)剩，結(jié)果將是電壓和頻率升高。我正在調(diào)節(jié)逆變器參數(shù)，以確保其有助于維持電網(wǎng)穩(wěn)定，而不只是盲目地以大輸出功率工作。”盡管如此，如果發(fā)生斷電，那么分布式供電設(shè)備，如電池和光伏發(fā)電裝置，必須能夠啟動(dòng)電網(wǎng)并恢復(fù)運(yùn)行。

這聽(tīng)起來(lái)容易做起來(lái)難，因?yàn)樗^的“黑啟動(dòng)”要求將所有組件同步，實(shí)現(xiàn)同相運(yùn)行，逐步將電網(wǎng)電壓提高至預(yù)設(shè)值。必須均衡地將來(lái)自不同發(fā)電設(shè)施的電能輸送給各個(gè)負(fù)載。Nielebock解釋道：“如果內(nèi)置控制器設(shè)置適當(dāng)，那么逆變器可以利用電壓和頻率數(shù)據(jù)自動(dòng)完成同步，從而確保穩(wěn)定運(yùn)行。”就像樂(lè)團(tuán)中的各種樂(lè)器在指揮家的指揮下實(shí)現(xiàn)同步一樣，逆變器在智能電網(wǎng)中確立了秩序——因此，柴油發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的交流電能，與逆變器輸出的電能，*協(xié)調(diào)一致。

像這樣的研究以富于前瞻性的眼光，審視了在朝著可再生能源和分布式發(fā)電設(shè)施過(guò)渡的進(jìn)程中，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商將要面臨的挑戰(zhàn)。供電企業(yè)需要將不計(jì)其數(shù)的光伏發(fā)電設(shè)施、風(fēng)電機(jī)組和生物質(zhì)反應(yīng)堆與常規(guī)電廠和蓄電裝置等連接起來(lái)，以建立一個(gè)穩(wěn)定的電網(wǎng)。為了確定這種系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，自2011年起一直到2013年秋季，西門子在德國(guó)南部Allgau地區(qū)的一座擁有2 500人口的Wildpoldsried鎮(zhèn)，對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)進(jìn)行了細(xì)致深入的研究。鎮(zhèn)上的幾乎每幢房屋都在屋頂安裝了一個(gè)太陽(yáng)能電池板。除這些太陽(yáng)能發(fā)電裝置之外，這座小鎮(zhèn)的電力系統(tǒng)還包括了以生物質(zhì)反應(yīng)堆生產(chǎn)的燃?xì)鉃槿剂系臒犭娐?lián)產(chǎn)裝置，以及5臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。總體來(lái)講，現(xiàn)在Wildpoldsried鎮(zhèn)的發(fā)電量是其耗電量的5倍以上。

盡管這聽(tīng)起來(lái)是件好事，但對(duì)于地方電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商AüW公司而言，卻是個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，因?yàn)檫^(guò)剩電能造成了電力線不穩(wěn)定。于是，AüW聯(lián)合西門子、亞琛工業(yè)大學(xué)和肯普滕應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，共同發(fā)起了IRENE（可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與電動(dòng)交通系統(tǒng)整合）項(xiàng)目，對(duì)大型智能電網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試。自項(xiàng)目啟動(dòng)以來(lái)，約200個(gè)測(cè)量裝置一直在提供關(guān)于電網(wǎng)總體運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)，而地方電網(wǎng)調(diào)壓變壓器、蓄電裝置和遠(yuǎn)程控制光伏逆變器等確保了電網(wǎng)穩(wěn)定。

這個(gè)系統(tǒng)的核心組件是SOEASY——西門子提供的自組織電力自動(dòng)化系統(tǒng)。SOEASY可以平衡供需。在這個(gè)系統(tǒng)中，各個(gè)供電設(shè)施和用電設(shè)備均分別由一個(gè)個(gè)人能源代理（PEA）來(lái)代表。譬如，系統(tǒng)軟件知道某臺(tái)光伏發(fā)電裝置的業(yè)主愿意接受的低電價(jià)。然后，軟件將報(bào)價(jià)提交給代表電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的“平衡大師（Balance Master）”，后者將決定是否接受PEA的報(bào)價(jià)。

在Allgau地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)之前，在位于愛(ài)爾蘭根的開(kāi)發(fā)中心，研究人員搭建了一個(gè)自有電網(wǎng)，以研究電池、光伏發(fā)電裝置和地方電網(wǎng)調(diào)壓變壓器之間的交互作用。現(xiàn)在，研究人員正在分析更為復(fù)雜的智能電網(wǎng)。Rolf Hellinger教授是開(kāi)發(fā)中心所隸屬的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域的負(fù)責(zé)人，他表示：“階段，我們僅連接了用電設(shè)備和發(fā)電裝置。下一步，是整合樓宇系統(tǒng)組件，如空調(diào)系統(tǒng)使用的壓縮式制冷機(jī)。”這能提高智能電網(wǎng)的靈活性，因?yàn)橹悄芸刂茦怯羁梢栽谛枨筝^低時(shí)吸納過(guò)剩電能。

廢熱驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)和冷凝過(guò)程，生產(chǎn)出飲用水。

利用廢熱生產(chǎn)純凈水。西門子研究人員的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是將多種不同類型的能源資源合并起來(lái)，如石油、天然氣、風(fēng)電、太陽(yáng)能、生物質(zhì)和廢熱等，以確保這些能源資源以盡可能、環(huán)保的方式，生產(chǎn)出電能、暖氣、冷氣和飲用水。他們也想將這些能源資源整合到多模態(tài)能源系統(tǒng)中。熱轉(zhuǎn)換和分布式電力系統(tǒng)研究小組組長(zhǎng)Jochen Schafer博士說(shuō)：“在此之前，大多數(shù)時(shí)候僅僅審視了這種系統(tǒng)的某一個(gè)側(cè)面，譬如，將利用可再生能源生產(chǎn)的電能輸送到電網(wǎng)的方法。與之相反的是，現(xiàn)在我們研究的是由眾多組件構(gòu)成的電網(wǎng)。我們也在研究這些組件相互之間的交互作用方式，以及其對(duì)電網(wǎng)的總體穩(wěn)定性的影響。換句話說(shuō)，我們感興趣的是系統(tǒng)集成，以及所有系統(tǒng)組件之間的相互作用。”

譬如，研究人員尤為感興趣的是充分利用機(jī)器及其他工業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的廢熱。如今，人們很少以經(jīng)濟(jì)可行的方式對(duì)廢熱，特別是低溫廢熱，加以利用。然而，這種熱能包含了寶貴的能量，譬如，可以用于回收處理廢水，生產(chǎn)出飲用水。為此，愛(ài)爾蘭根的西門子研究人員開(kāi)發(fā)了EvaCon（蒸發(fā)和冷凝）系統(tǒng)，利用溫度在70到120攝氏度之間的廢熱來(lái)蒸發(fā)廢水。所得到的蒸汽流被輸送到冷凝機(jī)中，通過(guò)凝結(jié)作用，生產(chǎn)出純凈水和一些濃縮廢水。然后再處理這些廢水。

在開(kāi)發(fā)中心，矗立著高5.5米的EvaCon原型機(jī)。廢水經(jīng)隔熱管道從右上方流入，再流經(jīng)若干換熱器。在這里，廢熱被用來(lái)升高水溫。然后，廢水緩緩流過(guò)蒸發(fā)器，變成水蒸氣。風(fēng)扇產(chǎn)生氣流，攜帶水蒸氣向上運(yùn)動(dòng)。在安裝了冷凝器的右側(cè)，水蒸氣再次凝結(jié)。這聽(tīng)起來(lái)可能很簡(jiǎn)單，但細(xì)節(jié)卻頗為復(fù)雜。環(huán)境技術(shù)研究小組組長(zhǎng)Manfred Baldauf博士說(shuō)：“我們想使用少量的電能來(lái)輸送盡可能多的水蒸氣。為此，我們需要調(diào)節(jié)溫度分布和氣量。”下一步是建造一座純凈水產(chǎn)能達(dá)25立方米/小時(shí)的試驗(yàn)設(shè)施。這足以處理飲料行業(yè)裝瓶過(guò)程產(chǎn)生的廢水。此外，EvaCon也可用于凈化釀造工藝和石油鉆探作業(yè)等產(chǎn)生的廢水。

然而，針對(duì)某些情況還沒(méi)有經(jīng)濟(jì)劃算地利用低溫廢熱的技術(shù)。為此，研究人員制作了一個(gè)可將廢熱加熱至140攝氏度的熱泵——相比之下，以往高只能加熱至90攝氏度。Schafer解釋道：“從根本上講，熱泵原理是相同的，但我們的熱循環(huán)采用了一種特殊的工藝油。這種工藝油適用于更高溫度，并且對(duì)環(huán)境無(wú)害，安全。”譬如，這種新熱泵可以將溫度在70到90攝氏度之間的工業(yè)廢熱或地?zé)幔訜嶂?30攝氏度——達(dá)到集中供暖系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度。這些熱能可用于為建筑物供暖。結(jié)合EvaCon及開(kāi)發(fā)中心的其他設(shè)備，新的熱泵有助于研究人員朝著保證不浪費(fèi)任何能源資源的夢(mèng)想更進(jìn)一步。