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印度微电网市场简析

北极星微电网 来源:Ashok Jhunjhunwala  2019/7/12 13:46:12

北极星微电网讯:编者按:

2017年一次展会上,一位印度资深专家在我司展台告诉我们,他们在政府资助下,在为广大印度村庄提供直流微电网,家庭的负荷是手机,电风扇,照明等,全都是直流供电,一家只需要200-300w,用光伏和沼气作为微源,供电电压48V。

后发地区有后发地区的办法,总得解决问题,不如来最直接的。

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在这个工业化的世界,电网是如此值得信赖,以至于我们认为拥有可靠的电力是理所当然的。但是在印度,停电却是常常发生的可悲现实。接入电网并不能保证获得可靠的电力供应。比如,2015年对印度6个邦的村镇进行的调查显示,大部分村镇平均每天的电力供应不足4小时;将近半数的家庭虽有电网接入,实际上却没有电。人们提出的问题主要是可靠性、质量和可承受度差。在印度的许多地方,即便是中等收入家庭也经常受到停电的困扰,停电的持续时间从一天几小时到近乎一整天不等。有能力的家庭通常会安装柴油发电机——这是一个既昂贵又污染环境的选择。

此外,国际能源署的调查显示,大约2.5亿印度人(约占印度总人口的1/5)的日常生活无电可用。对于一个在科学和技术方面正以惊人速度取得进步的国家来说,这一令人遗憾的电气化状况很不光彩。

近年来,印度政府大量投资发电项目(包括太阳能和风能发电厂)、最先进的高压输电线建设和大批家庭电气化工程,但这些努力只是触及皮毛而已。一家对农村电气化进程进行追踪的政府门户网站显示,在印度29个邦中,只有4个邦确实实现了所有家庭都能获得供电。

问题出在这里:印度政府采取了一种传统方式来实现电气化,即将注意力放在加强发电、输电和配电上。但其实有一个更好、更实惠、更高效、见效更快也更易部署的方法。这个方法可以一次性解决电气化各方面的问题,缩小供需差距,降低电力成本,并向每个人提供源源不断的可靠电力。

这一战略是由我在印度理工学院(IIT)马德拉斯分校的团队与业界合作伙伴共同开发的,采用的是太阳能直流微电网。对于没有接入电网的家庭,一个125瓦的微电网可以作为唯一的电力来源。对于接入电网的家庭,微电网可作为备用电源,使照明、风扇、电视机和手机充电器在用电管制的情况下也能够继续使用。

2014年,我们开始在印度理工学院马德拉斯分校内的数十个家庭、办公室和宿舍中对我们的直流微电网进行实地测试。第二年,我们将部署区域扩大至3个城市和数个村镇的约1000户家庭中。现在,在印度电力部的资金支持下,我们正在开展两项大规模的项目,最终将覆盖超过10万个家庭。

以西方的标准来看,我们的微电网125瓦的负载功率非常微不足道——一台普通家用真空吸尘器的功率就在500~3000瓦间。确实,在普通的北加州家庭中,“空载”功率(即插上电源但没有启动设备时的功耗)都远不止125瓦。但我们系统的每一个使用者都非常满意,因为现在他们能够全天候用电了。他们能在有照明的条件下做饭或在夜间学习、收看完整的电视节目(不再因用电管制而中断收看)、在风扇的凉风中安睡一整夜;他们对现在所拥有的条件心怀感激。

印度因缺电家庭的庞大绝对数量而面临的挑战是独特的,而我们的技术除在印度外,在世界其他地方同样能一展身手。事实上,我们认为对世界上的每一个家庭——无论是在辛辛那提还是圣保罗——来说,拥有太阳能直流微电网都是一件有利的事情。下面将介绍原因。

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先让我们想想如何为已经接入电网的家庭提供电力支持。同世界其他地方一样,印度的主要电网以交流电为基础。而我们的系统则采用直流电,这是因为太阳能板和电池、消费电子产品、LED照明和越来越多的家用电器都使用直流电。我们这样做可以避免在交流电和直流电之间来回转换而产生损耗。每次转换都会造成5%~20%的能量损失,所以出于节能考虑,需要最大程度地减少转换。

首先,我们在家中另外敷设一条可以满足一户普通家庭10%用电需求的48瓦直流输电线。这条输电线可以直接为LED灯和其他使用直流电的小家电供电。我们还将传统电表替换为“不间断直流”(UDC)电表,其控制和通信能力都与智能电表相同,并且还配有一个交流-直流转换器,用来将一部分交流电转换为直流电。

现在,让我们假设电网需求达到高峰,而供电却无法跟上。印度的惯常做法是由电网运营方完全切断对某些地区的供电,直到供求重新达到微妙的平衡为止。而在部署了不间断直流电表的地区,电网运营方则可以实施用电管制,缩减90%的供电。虽然剩余10%的供电听上去不多,但在一些蓄电池(将在下文进行进一步介绍)电流的支持下,足以供家庭照明使用,甚至可以维持一些直流家电的运转。在用电管制开始时,本地变电所会给每个不间断直流电表发出信号,电表切断家中的主要交流电路,但保留直流电路。用电管制结束后,变电所再次向不间断直流电表发出信号,恢复家中的正常交流电供应。

从2015年起,我们就与位于海德拉巴的太阳能公司Cgyni能源公司合作,在印度东北部比哈尔邦的萨萨拉姆市推出不间断直流系统。在那里,将有多达10万户居民很快即可拥有直流微电网。这些家庭都接入了现有的交流电输电网,但电网可靠性低,居民们都迫切希望拥有替代选择。在印度各邦中,比哈尔地区在高峰时段的供需最不平衡,且人均电量最低。最终,萨萨拉姆将成为世界上首个每家每户都装有直流输电线路的城市。

作为对主干电网供电的补充,每个使用不间断直流电表的家庭还可以安装一个125~500瓦的光伏电池板。光伏电池板通过不间断直流电表与一块低成本高性能的铅酸电池相连。铅酸电池由AmaraRaja电池公司研发,能够在夜间和用电管制时供电。

与如今所安装的大部分家用太阳能设施不同,我们的系统是全直流电系统。这样就无须将太阳能板的直流电转换成与主干电网同步的交流电,也不必再把交流电转换为直流电以便为电池充电,避免了效率低下的问题。

综合以上措施,接入主干电网的直流输电线和太阳能微电网所提供的电力足以为5台风扇、8盏LED灯、2台小型平板电视、若干手机和平板电脑充电器,以及1台笔记本电脑供电。当然,这些设备都可以兼容直流电,比使用交流电的设备需要的电力少得多。这些风扇使用无刷直流电机;一台交流电风扇的功耗可能达到72瓦,而一台直流电风扇在同等风档下的功耗仅为30瓦。类似的无刷直流电机未来可被用于电箱、空调和洗碗机。LED照明、液晶电视和计算机之类的设备已经在使用直流电了;要将这些设备插入传统的交流电插座中,制造商需要增加一个交流-直流转换器。因此,要将它们配置为使用直流电运行,基本上把交流-直流转换器替换为更加高效的直流-直流控制器就可以了。

通过使用兼容直流电而非交流电的电灯和设备,屋主可以大幅削减用电,从而减少每月开支。我们进行了一项模拟,以比较太阳能交流微电网和太阳能直流微电网的成本。我们计算了一间配有两个LED灯管、两个LED灯泡、两台电扇、一部手机和一台24英寸LED电视的小家庭的耗电量。如果使用太阳能交流微电网供电,该家庭每天耗电3.3千瓦时,花费16.3卢比(约合24美分);如果使用直流微电网,每天仅耗电1.2千瓦时,花费6.5卢比(约合9.5美分),因为直流电设备效率更高且没有转换损失。

我们随后研究了微电网在分区限电情况下的表现。分区限电在印度的许多地区都非常常见,每天都会发生,每次持续时间达4小时。在这种情况下,微电网的电池将会放电,之后再充电。上文提到过,太阳能交流微电网在将交流-直流-交流的转换过程中损耗大量能量。如果将分区限电的因素考虑在内,那么使用交流微电网每天的支出将上涨至28.9卢比(约合42美分),而直流微电网的开支仅略微上涨至7.3卢比(约合11美分)。在为期一个月的时间内,使用直流微电网大约可节省超过400卢比(约合5.9美元)。对于发达国家的富裕居民来说,这点钱可能不算什么,但在印度的很多地方,这是一笔不小的开支。这可能意味着享受光明还是忍受黑暗,开着电扇还是在床上流汗的区别。

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太阳能直流微电网也即将对印度那些从未享受过电力接入的村镇产生影响。到目前为止,我们最大规模的安装活动涵盖了印度西部拉贾斯坦邦的71个村庄。在这些地方,我们与JodhpurVidyut Vitran Nigam公用事业公司合作,帮助印度电力部向约4000户家庭供电。(关于喜马拉雅山区另一个印度偏远村庄实现电气化的案例,参见本文下方往期推荐“启明之光:为喜马拉雅山上的遥远村庄带去电力和光明”。)

在启动这个项目之前,村民在夜晚基本上就是生活在黑暗中。事实上,拉贾斯坦邦的电力足以满足全邦人口的需要,但如何将电输送到每家每户却成了问题。

我们安装电网的第一个村庄是BhomJi Ka Gaon村。这个村有120户人家,位于拉贾斯坦邦无垠的沙丘间,距离最近的镇90公里,距离最近的城市焦特布尔300公里。村民们的家分布在一个约10平方公里的区域内。由于没有平整的道路,穿越这些沙丘最好的交通工具就是骆驼拉的大车、拖拉机或者四驱车。村民收集雨水来浇地和饮牲口。大部分居民除非是需要去磨小麦或者小米,否则不会冒险出村。

如果要将传统电网延伸到这么偏远的地方,就需要修建变电所和输电线。考虑到崎岖的地形、过长的距离以及偶尔出现的严重沙尘暴,这么做十分困难,而且从经济上来说也不现实。不仅如此,即便是在最好的情况下,如此巨大的投资真正实现预期结果的机会也很渺茫:村民们虽然可以自给自足,但并不富裕,即便实现电力供应,他们也没有能力大量购买。

不过,在一年的大多数时间里,拉贾斯坦邦都拥有晴朗的天空和充沛的阳光。这为利用太阳能提供了理想的条件,也确实吸引了若干大型光伏发电厂,最引人瞩目的是拟在桑哈(Sambhar)湖畔建设的太阳能发电厂,其装机容量为4000兆瓦,是世界最大的太阳能发电厂。但这些发电厂面临诸多与传统电网输电类似的问题:它们都需要输电和配电基础设施才能将电能输送到附近的村庄,并且还需要承受将太阳能生产的直流电转换为交流电所带来的转换损失。

我们在拉贾斯坦邦部署电网的过程中,每户家庭都会得到一个125瓦的太阳能板,一个特别设计的、预期使用寿命为1600个充放电周期(一般电池约为800个周期)的1千瓦时铅酸电池和一个无逆变器控制器。每户家庭还将得到一套电器补助:一台全尺寸直流电扇、一个亮度可调的LED灯管、一个可以控制电扇和灯管的遥控器、一个LED灯泡和一台手机充电器。屋主可以自行添加电灯或电视,只要总功耗不超过125瓦即可。整套系统的制造和安装费用仅为传统电网输电网安装费的零头。

我们还在拉贾斯坦邦以外的地区开展了安装项目,以2~4户家庭为一组,每组共享一个500瓦的微电网;在另一个安装项目中,30户家庭共享一个7500瓦的微电网。如果采用这些较大电网的话,可远程控制每户不间断直流电表的无线连接,按需分配每个家庭的电量。共享设备减轻了单个家庭的安装和使用开支。

对于像Bhom Ji Ka Gaon村这样的村子来说,以传统方式实现电气化需要很多年。在此期间,直流电电器将不断改进,也将有越来越多的产品上市,包括蒸发冷却器、小型直流电冰箱和太阳能灶。与此同时,太阳能板、电池和其他微电网组件将变得更加便宜和高效。最终,村民们或许能使用离网系统满足全部需求。

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印度的电力问题根深蒂固,而且是普遍存在的。不过印度在推广电话方面的经验让我们看到了一线希望。在20世纪90年代中期以前,只有不到5%的印度家庭装有电话,在很多地方可能必须要等上数年才能装上固定电话。主要问题在于铜线电缆的成本过于高昂,大多数人无法承受。

之后,手机开始出现,移动网络开始迅速扩展。今天,几乎每个印度成年人都拥有一部手机。手机所提供的功能要比固定电话多得多,并且移动服务的数量和范围都在继续增加和扩展。

因此,印度的电气化也可以走非传统的颠覆性道路。我们希望太阳能直流微电网和配套的不间断直流电表也能够像印度的移动网络那样,跳过传统的基础设施来实现跨越式发展。将直流输电线引入家庭将自然而然地推动直流电器市场的发展,这反过来又会逐步取代更加耗电的交流电器。随着时间的推移,这些电器以及微电网将变得更加实惠,即便是收入甚微的村民也能负担得起。随着家家户户大幅减少用电,并且就地生产新的电力,家庭的电费开支也会减少。家庭对于传统电网的依赖越少,供电中断的影响也就越小;最终,随着供求差距的消弭,这类供电中断的情况也将消失。

我们知道这一技术能够改变生活。我们已经见识到了,哪怕一丁点儿电力也如“星星之火,可以燎原”,我们也听到了村民们那些富有启发性的感人故事。他们体验到了从未想象到的舒适、方便和安全。这将是一个众多技术突破共同造福大众的罕见时刻。对于12亿无电可用的人们来说,这一切来得越快越好。

作者:Ashok Jhunjhunwala


原标题:新闻 | 直流微电网印度市场未来可期!

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