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二零一七年十月十五日

中大领导研资局「主题研究计划」跨院校智能化太阳能项目
研发高效节能微电网并投入实地试验



香港中文大学(中大)致力研究再生能源领域,寻求先进高效的突破,为可持续发展作贡献。中大于2013/14年度获香港政府研究资助局「主题研究计划」资助6,033万港元,启动为期五年的「智能化太阳能技术:采集、存储及应用」研究项目。该项目由中大工程学院院长汪正平教授领导,联同二十多位来自中大、香港理工大学、香港科技大学及香港大学的学者队伍进行深入研究,现已取得阶段性成果。中大最近将不同队伍的研究成果整合为实际应用方案,在和声书院设置示范基地,以验证再生能源电力系统的效益。 

汪正平教授表示:「我们的跨院校研究团队由本港多位工程及科学领域的学术专家组成,包括信息、电机及电子工程、材料科学、化学及物理学等,涵盖全面。本项目在太阳能科技研究上已取得多项优秀成果,令香港在再生能源技术上领先全球。未来我们将继续发掘更出色的研究突破,以结合各种不同系统及高效智能电网应用为最终目标。」 

微电网发电调度的在线算法 

研究团队在能源采集、存储及应用三大范畴均获得相当的进展。在电力应用方面,中大信息工程学系副教授陈名华教授及其团队就微电网(Microgrid)营运研发出崭新的「微电网发电调度的在线算法」,解决再生能源不稳定性带来的发电调度新挑战,实现既高效节能又融合再生能源的微电网系统。 

微电网是一个小型的发电及配电系统,小至一座大楼,大至一个社区都可以建构属于自己的微电网 (图一)。此系统可同时采用太阳光等再生能源及小型燃气发电机来提供电力,可以并网或离网运行。微电网可以有效提升电力系统稳定性、能源转换效率,以及再生能源使用比例。美国、日本、德国及丹麦都在积极推动微电网的发展。但再生能源受天气影响,供应量不稳定,营运商难以准确预测微电网的负荷,从而无法运用基于预测的传统发电调度算法。因此,微电网营运的最大挑战,在于如何安排外部电网和本地能源供电的调配,使之既可满足电力需求,又能减低营运成本。 

陈名华教授及其团队打破基于预测的传统发电调度算法,提出一套名为CHASE (Competitive Heuristic Algorithms for Scheduling Energy-generation) 的理想调度追踪算法,可在没有或极少预测信息的情况下,仅靠过往用电趋势智能追踪理想调度,适时调配电力来源,满足用电需求,同时节省约20%的成本 (图二),成效显著。最近,CHASE算法的可行性和性能在香港理工大学微电网实验室得到进一步验证。大数据量的实验结果显示,CHASE算法得出的发电成本接近理想调度(即预知未来发电及负荷信息后形成的调度方案)所达到的最低值,相差少于10%。 

陈名华教授指出,研究的下一阶段是在中大和声书院进入实地试验(图三),当技术成熟后,陈教授认为香港的离岛是一个合适的试点。 

全港首个微网控制实验平台 

香港理工大学电机工程学系教授许昭教授之研究团队致力研究电力的高效应用。团队构建的智能微电网实验室集光伏、储能及电能优化调配为一体,是全港首个微网控制实验平台,总容量达 4 kw,可用于验证多种调度及控制策略(图四)。 

维持频率稳定是保障电力系统安全运行的关键因素。传统上,电网的频率调节只能由发电方承担,花费非常昂贵。许教授的团队成功研发本港首个能实时回应频率变化的智慧型电气负载控制器,可用在不同家居电器而且体积细小(约一般信用卡大小),很适合香港家居使用(图五)。此控制器让电器即时参与频率回应,在频率过低时,切断非重要负荷;在系统频率恢复时,迅速恢复供电。此控制器能从用户方分担频率平衡的负荷,对整个电网系统的稳定非常有利。冰箱、空调和热水器等大型家居电器由于回应快速及可控性高,非常适合使用此控制器。此外,相对于传统方法,团队提出的这种策略不仅能提高回应速度,更不会对环境造成任何危害并且可以大幅降低调节成本。此控制器的推广将对香港电网的稳定运行有重要意义。 

为达到更佳的能源效益,微电网中可再生能源的发电和负荷的准确预测不可或缺。一套准确的预测策略能为微电网提供供需模式的重要资讯,帮助决策者制定适合的控制和调度策略。其中,粒化计算为本的概率预测技术被公认为一种相当有展望的方法。事实上,任何预测都存在不同程度的误差,概率预测能够将这种不确定的误差信息以不同概率等级的预测区间形式体现出来,决策者可以此制定相应的控制策略,保证经济和可靠运行。团队与香港天文台合作,开发了性能优秀的粒化概率预测技术。研究结果显示,在以15分钟为间隔的光照辐射预测结果中,所产生的可信度为90%的预测区间几乎可以覆盖90%的观测值,证明该方法非常可靠(图六)。该技术已成功在香港天文台京士柏光照强度数据的短期概率预测上应用,将来更有望应用于太阳能及其他可再生能源的微电网上。 

智能化能源管理网上系统:「和声 Power」 

中大和声书院于创立时已制定节能灭碳的方针,在所有300个宿舍房间安装了独立的智能电表,也在冷气系统、热水系统及公共空间原有的电表上安装了监测系统,数码监测用电数据。中大信息工程学系荣休教授邱达民教授团队根据这些数据设计了智能化在线能源管理网上系统「和声 Power」(图七),为每个宿舍房间提供实时回馈,提升宿生对个人用电量的关注及节能意识,并为管理者找出节能机会及方案(图八)。宿生透过此网上系统,可了解自己的用电量与其他同学相比属于较高或偏低,藉此鼓励同学自发省电行为,减低碳足迹。 

2017年2月至4月,团队在和声书院举行省电比赛,结果显示,在该段天气渐趋炎热的日子,最频繁查看网上系统的20个房间及其余280个房间,虽然用电量均有增长,但前者的平均增幅 (4.42 kWh) 只有后者 (7.66 kWh) 的四成 (约42.3%),可见参加比赛的同学,省电意识有所提升 (图九),亦真正做到节能。此试验计划为整所大学的电力管理模式树立阶模。 

关于「智能化太阳能技术︰采集、存储和应用」研究计划

2011年,香港政府设立了「主题研究计划」 (Theme-based Research Scheme, TRS),以支持本港八所资助院校进行较长期及策略上有利于香港发展的主题研究。「智能化太阳能技术︰采集、存储和应用」为其四大范畴之一「建设可持续发展的环境」中,至今获拨款最高的项目,达6,033万港元,加上各大学资助后,项目总预算达7,600万港元。该项目涵盖太阳光的有效采集、存储及应用,有策略地全面提升太阳能发电的效能,促进电能的使用效率,克服推行再生能源的各种障碍,积极回应香港政府以至全球《巴黎协定》的减碳目标。 

「智能化太阳能技术:采集、存储及应用」旗下的各项研究已渐见成果,并获刊登于国际顶尖的科技期刊(见附表),令香港在再生能源技术上领先全球。 

中大创新科技发展 

中大在今年的「路透社:亚太区最具创新力大学」(Reuters: Asia Pacific region时代的新纪元。果先后达全球文献记录中最优,并获刊登于国际顶尖的)排名中,再次在香港区位列榜首,整体排名第27位。 中大一直致力推动创新科技,目前在全球各地有超过750个获授权的专利项目,其中众多项目已经与业界达成合作协议,把创新科技引入市场。单在2016-17年度,中大已申请了183个专利,以及有88项专利获审批授权,涉及医疗科技、生物科技、信息科技、电讯及材料科学等领域。

(左起)中大工程学院院长汪正平教授、信息工程学系荣休教授邱达民教授、信息工程学系副教授陈名华教授,以及和声书院副院长任扬教授。
(左起)中大工程学院院长汪正平教授、信息工程学系荣休教授邱达民教授、信息工程学系副教授陈名华教授,以及和声书院副院长任扬教授。

(左起)汪正平教授、陈名华教授、任扬教授及邱达民教授介绍中大领导的「智能化太阳能技术:采集、存储及应用」研究成果。
(左起)汪正平教授、陈名华教授、任扬教授及邱达民教授介绍中大领导的「智能化太阳能技术:采集、存储及应用」研究成果。

图一. 微电网运作图示。(由本项目合作伙伴及中大校友Masdar学院周志健教授、本项目经理谢雯小姐、以及陈名华教授联合制作)
图一. 微电网运作图示。(由本项目合作伙伴及中大校友Masdar学院周志健教授、本项目经理谢雯小姐、以及陈名华教授联合制作)

图二.  利用理想调度追踪算法,可在极少预测资讯下适时调配电力来源,并节省成本约20%。
图二. 利用理想调度追踪算法,可在极少预测资讯下适时调配电力来源,并节省成本约20%。

图三.  中大和声书院宿舍顶层的太阳能板系统。中大最近将不同队伍的研究成果整合为实际应用方案,在和声书院设置示范基地,以验证再生能源电力系统的效益。
图三. 中大和声书院宿舍顶层的太阳能板系统。中大最近将不同队伍的研究成果整合为实际应用方案,在和声书院设置示范基地,以验证再生能源电力系统的效益。

图四.  智能微电网实验室的网路架构。
图四. 智能微电网实验室的网路架构。

图五.  智慧型电气负载控制器体积细小,非常适合香港家居使用。
图五. 智慧型电气负载控制器体积细小,非常适合香港家居使用。

图六.  以15分钟为间隔的光照辐射预测结果中,所产生的可信度为90%的预测区间几乎可覆盖90%的观测值,证明该方法非常可靠。
图六. 以15分钟为间隔的光照辐射预测结果中,所产生的可信度为90%的预测区间几乎可覆盖90%的观测值,证明该方法非常可靠。

图七.  能源管理网上系统「和声 Power」。
图七. 能源管理网上系统「和声 Power」。

图八.  「和声 Power」用户介面。
图八. 「和声 Power」用户介面。

图九.  在和声书院省电比赛中,参与同学的用电量增幅只有其他同学的四成,显示其省电意识有所提升。
图九. 在和声书院省电比赛中,参与同学的用电量增幅只有其他同学的四成,显示其省电意识有所提升。



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