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二零一七年十月十五日

中大領導研資局「主題研究計劃」跨院校智能化太陽能項目
研發高效節能微電網並投入實地試驗



香港中文大學(中大)致力研究再生能源領域,尋求先進高效的突破,為可持續發展作貢獻。中大於2013/14年度獲香港政府研究資助局「主題研究計劃」資助6,033萬港元,啟動為期五年的「智能化太陽能技術:採集、存儲及應用」研究項目。該項目由中大工程學院院長汪正平教授領導,聯同二十多位來自中大、香港理工大學、香港科技大學及香港大學的學者隊伍進行深入研究,現已取得階段性成果。中大最近將不同隊伍的研究成果整合為實際應用方案,在和聲書院設置示範基地,以驗證再生能源電力系統的效益。 

汪正平教授表示:「我們的跨院校研究團隊由本港多位工程及科學領域的學術專家組成,包括信息、電機及電子工程、材料科學、化學及物理學等,涵蓋全面。本項目在太陽能科技研究上已取得多項優秀成果,令香港在再生能源技術上領先全球。未來我們將繼續發掘更出色的研究突破,以結合各種不同系統及高效智能電網應用為最終目標。」 

微電網發電調度的在線算法 

研究團隊在能源採集、存儲及應用三大範疇均獲得相當的進展。在電力應用方面,中大信息工程學系副教授陳名華教授及其團隊就微電網(Microgrid)營運研發出嶄新的「微電網發電調度的在線算法」,解決再生能源不穩定性帶來的發電調度新挑戰,實現既高效節能又融合再生能源的微電網系統。 

微電網是一個小型的發電及配電系統,小至一座大樓,大至一個社區都可以建構屬於自己的微電網 (圖一)。此系統可同時採用太陽光等再生能源及小型燃氣發電機來提供電力,可以並網或離網運行。微電網可以有效提升電力系統穩定性、能源轉換效率,以及再生能源使用比例。美國、日本、德國及丹麥都在積極推動微電網的發展。但再生能源受天氣影響,供應量不穩定,營運商難以準確預測微電網的負荷,從而無法運用基於預測的傳統發電調度算法。因此,微電網營運的最大挑戰,在於如何安排外部電網和本地能源供電的調配,使之既可滿足電力需求,又能減低營運成本。 

陳名華教授及其團隊打破基於預測的傳統發電調度算法,提出一套名為CHASE (Competitive Heuristic Algorithms for Scheduling Energy-generation) 的理想調度追蹤算法,可在沒有或極少預測信息的情況下,僅靠過往用電趨勢智能追蹤理想調度,適時調配電力來源,滿足用電需求,同時節省約20%的成本 (圖二),成效顯著。最近,CHASE算法的可行性和性能在香港理工大學微電網實驗室得到進一步驗證。大數據量的實驗結果顯示,CHASE算法得出的發電成本接近理想調度(即預知未來發電及負荷信息後形成的調度方案)所達到的最低值,相差少於10%。 

陳名華教授指出,研究的下一階段是在中大和聲書院進入實地試驗(圖三),當技術成熟後,陳教授認為香港的離島是一個合適的試點。 

全港首個微網控制實驗平台 

香港理工大學電機工程學系教授許昭教授之研究團隊致力研究電力的高效應用。團隊構建的智能微電網實驗室集光伏、儲能及電能優化調配為一體,是全港首個微網控制實驗平台,總容量達 4 kw,可用於驗證多種調度及控制策略(圖四)。 

維持頻率穩定是保障電力系統安全運行的關鍵因素。傳統上,電網的頻率調節只能由發電方承擔,花費非常昂貴。許教授的團隊成功研發本港首個能實時回應頻率變化的智慧型電氣負載控制器,可用在不同家居電器而且體積細小(約一般信用卡大小),很適合香港家居使用(圖五)。此控制器讓電器即時參與頻率回應,在頻率過低時,切斷非重要負荷;在系統頻率恢復時,迅速恢復供電。此控制器能從用戶方分擔頻率平衡的負荷,對整個電網系統的穩定非常有利。冰箱、空調和熱水器等大型家居電器由於回應快速及可控性高,非常適合使用此控制器。此外,相對於傳統方法,團隊提出的這種策略不僅能提高回應速度,更不會對環境造成任何危害並且可以大幅降低調節成本。此控制器的推廣將對香港電網的穩定運行有重要意義。 

為達到更佳的能源效益,微電網中可再生能源的發電和負荷的準確預測不可或缺。一套準確的預測策略能為微電網提供供需模式的重要資訊,幫助決策者制定適合的控制和調度策略。其中,粒化計算為本的概率預測技術被公認為一種相當有展望的方法。事實上,任何預測都存在不同程度的誤差,概率預測能夠將這種不確定的誤差信息以不同概率等級的預測區間形式體現出來,決策者可以此制定相應的控制策略,保證經濟和可靠運行。團隊與香港天文台合作,開發了性能優秀的粒化概率預測技術。研究結果顯示,在以15分鐘為間隔的光照輻射预测结果中,所產生的可信度為90%的預測區間幾乎可以覆蓋90%的觀測值,證明該方法非常可靠(圖六)。該技術已成功在香港天文台京士柏光照強度數據的短期概率預測上應用,將來更有望應用於太陽能及其他可再生能源的微電網上。 

智能化能源管理網上系統:「和聲 Power」 

中大和聲書院於創立時已制定節能滅碳的方針,在所有300個宿舍房間安裝了獨立的智能電錶,也在冷氣系統、熱水系統及公共空間原有的電錶上安裝了監測系統,數碼監測用電數據。中大信息工程學系榮休教授邱達民教授團隊根據這些數據設計了智能化在線能源管理網上系統「和聲 Power」(圖七),為每個宿舍房間提供實時回饋,提升宿生對個人用電量的關注及節能意識,並為管理者找出節能機會及方案(圖八)。宿生透過此網上系統,可了解自己的用電量與其他同學相比屬於較高或偏低,藉此鼓勵同學自發省電行為,減低碳足跡。 

2017年2月至4月,團隊在和聲書院舉行省電比賽,結果顯示,在該段天氣漸趨炎熱的日子,最頻繁查看網上系統的20個房間及其餘280個房間,雖然用電量均有增長,但前者的平均增幅 (4.42 kWh) 只有後者 (7.66 kWh) 的四成 (約42.3%),可見參加比賽的同學,省電意識有所提升 (圖九),亦真正做到節能。此試驗計劃為整所大學的電力管理模式樹立階模。 

關於「智能化太陽能技術︰採集、存儲和應用」研究計劃

2011年,香港政府設立了「主題研究計劃」 (Theme-based Research Scheme, TRS),以支持本港八所資助院校進行較長期及策略上有利於香港發展的主題研究。「智能化太陽能技術︰採集、存儲和應用」為其四大範疇之一「建設可持續發展的環境」中,至今獲撥款最高的項目,達6,033萬港元,加上各大學資助後,項目總預算達7,600萬港元。該項目涵蓋太陽光的有效採集、存儲及應用,有策略地全面提升太陽能發電的效能,促進電能的使用效率,克服推行再生能源的各種障礙,積極回應香港政府以至全球《巴黎協定》的減碳目標。 

「智能化太陽能技術:採集、存儲及應用」旗下的各項研究已漸見成果,並獲刊登於國際頂尖的科技期刊(見附表),令香港在再生能源技術上領先全球。 

中大創新科技發展 

中大在今年的「路透社:亞太區最具創新力大學」(Reuters: Asia Pacific region時代的新紀元。果先後達全球文獻記錄中最優,並獲刊登於國際頂尖的)排名中,再次在香港區位列榜首,整體排名第27位。 中大一直致力推動創新科技,目前在全球各地有超過750個獲授權的專利項目,其中眾多項目已經與業界達成合作協議,把創新科技引入市場。單在2016-17年度,中大已申請了183個專利,以及有88項專利獲審批授權,涉及醫療科技、生物科技、信息科技、電訊及材料科學等領域。

(左起)中大工程學院院長汪正平教授、信息工程學系榮休教授邱達民教授、信息工程學系副教授陳名華教授,以及和聲書院副院長任揚教授。
(左起)中大工程學院院長汪正平教授、信息工程學系榮休教授邱達民教授、信息工程學系副教授陳名華教授,以及和聲書院副院長任揚教授。

(左起)汪正平教授、陳名華教授、任揚教授及邱達民教授介紹中大領導的「智能化太陽能技術:採集、存儲及應用」研究成果。
(左起)汪正平教授、陳名華教授、任揚教授及邱達民教授介紹中大領導的「智能化太陽能技術:採集、存儲及應用」研究成果。

圖一. 微電網運作圖示。(由本項目合作伙伴及中大校友Masdar學院周志健教授、本項目經理謝雯小姐、以及陳名華教授聯合製作)
圖一. 微電網運作圖示。(由本項目合作伙伴及中大校友Masdar學院周志健教授、本項目經理謝雯小姐、以及陳名華教授聯合製作)

圖二.  利用理想調度追蹤算法,可在極少預測資訊下適時調配電力來源,並節省成本約20%。
圖二. 利用理想調度追蹤算法,可在極少預測資訊下適時調配電力來源,並節省成本約20%。

圖三.  中大和聲書院宿舍頂層的太陽能板系統。中大最近將不同隊伍的研究成果整合為實際應用方案,在和聲書院設置示範基地,以驗證再生能源電力系統的效益。
圖三. 中大和聲書院宿舍頂層的太陽能板系統。中大最近將不同隊伍的研究成果整合為實際應用方案,在和聲書院設置示範基地,以驗證再生能源電力系統的效益。

圖四.  智能微電網實驗室的網路架構。
圖四. 智能微電網實驗室的網路架構。

圖五.  智慧型電氣負載控制器體積細小,非常適合香港家居使用。
圖五. 智慧型電氣負載控制器體積細小,非常適合香港家居使用。

圖六.  以15分鐘為間隔的光照輻射预测结果中,所產生的可信度為90%的預測區間幾乎可覆蓋90%的觀測值,證明該方法非常可靠。
圖六. 以15分鐘為間隔的光照輻射预测结果中,所產生的可信度為90%的預測區間幾乎可覆蓋90%的觀測值,證明該方法非常可靠。

圖七.  能源管理網上系統「和聲 Power」。
圖七. 能源管理網上系統「和聲 Power」。

圖八.  「和聲 Power」用戶介面。
圖八. 「和聲 Power」用戶介面。

圖九.  在和聲書院省電比賽中,參與同學的用電量增幅只有其他同學的四成,顯示其省電意識有所提升。
圖九. 在和聲書院省電比賽中,參與同學的用電量增幅只有其他同學的四成,顯示其省電意識有所提升。