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温泉,北卡罗来纳州,是沿着阿什维尔北部阿巴拉契亚小径的山区社区。这个度假小镇在该地区以风景优美的河边度假胜地而闻名。2023年3月,温泉镇因采用绿色微电网而成为新闻。这个大约600人的小镇可能有助于回答这个问题:我们如何将公用事业规模的绿色能源带到美国各地的农村社区?
美国依靠各种能源为家庭供暖,这取决于公用事业基础设施和自然资源。《华盛顿邮报》的互动地图分解了每个社区用于家庭供暖的能源份额(https://wapo.st/3KrPqxV)。
当你把范围缩小时,你会注意到新英格兰和阿拉斯加仍然主要使用燃油。东南部和西北部的州消耗了大部分的电阻加热。大城市和落基山脉各州在天然气分布中占有很大份额。农村地区使用丙烷和木材的混合物。
这里没有太多的惊喜,但如果你放大,你会发现农村地区似乎包含了从一个城镇到另一个城镇的“什么都能得到”的能源组合。这让我们回到了温泉镇。
坐落微型电网
温泉附近的社区目前使用什么作为家庭供暖?在南部和西部,44%的家庭使用电力供暖。在北方,29%的人用木材取暖。再往东走30多分钟,40%的家庭使用燃料油,这使这里成为南方罕见的燃料油最受欢迎的地方之一。
在温泉城这个扩展的社区里,人们的共同点是必须要有创造力。由于山区地形和人口稀少,该镇可能不是新建天然气管道的优先选择。然而,它需要一些东西来改善它的电力供应,因为它的主要10英里长的输电线容易停电。居民有什么选择?
美国能源部(http://bit.ly/3ZTzeeE)对微电网的定义是:“可以脱离传统电网自主运行的局部电网。”由于它们能够在主电网宕机的情况下运行,微电网可以增强电网的弹性,帮助减轻电网干扰,并作为电网资源,加快系统响应和恢复。”
如果一棵树倒在了为大型家庭供电的输电线上,电网运营商通常会启动燃煤或天然气发电厂来启动回收过程。然而,温泉公司现在正在用太阳能和电池做同样的启动任务。
温泉城没有在树林和阿巴拉契亚山脉上铺设新的输电线,而是选择在城镇附近建造一个新的太阳能光伏微电网阵列。
《T&D World》的一篇文章(http://bit.ly/3o9qBiI)指出:“该镇的公用事业公司杜克能源公司考虑修建第二条馈线来解决[电网一致性]问题,但认为微电网更有意义,因为与新线路不同,微电网不会破坏数英里的风景和环境敏感地形。”“北卡罗莱纳州公用事业委员会于2019年同意并批准了微电网。”
温泉的光伏微电网被认为是一个孤岛微电网,这意味着它不需要另一个发电厂的启动。微电网可以像在一个岛上一样自给自足。迄今为止,这种特殊类型的逆变器驱动的微电网从未安装过,以服务于这种规模的社区。一些太阳能电池板和电池是典型的住宅级选择。然而,杜克能源公司能够建立一个基于逆变器的系统来帮助该地区供电。
温泉所使用的具体技术被称为逆变器驱动/基于逆变器的微电网。这项技术派上了用场,因为一些化石燃料发电厂的轮子移动缓慢。
美国能源部太阳能技术办公室解释说:“从历史上看,电力主要是通过燃烧燃料和产生蒸汽来产生的,然后蒸汽旋转涡轮发电机,从而产生电力。”“当设备旋转时,这些发电机的运动产生交流电,这也设置了正弦波重复的频率或次数。”
然而,当你在这个电网中添加太多设备时,你消耗的能量比发电厂输出的能量要快,这会减慢交流频率。“因为涡轮机是巨大的旋转物体,它们抵抗频率的变化,就像所有物体抵抗运动的变化一样,一种被称为惯性的特性,”美国能源部说。
基于逆变器的发电机可以产生任何交流频率的能量。他们并不是在旋转一个抗拒变革的大型涡轮机。电网运营商可以通过光伏板获取来自太阳的直流电,将其存储在电池中,并将其转换为所需的交流电压,以平滑或重新启动该地区的电力输送。
农村社区可再生能源
这些光伏微电网可以以多种方式帮助农村社区。它们减少了为农村社区开辟更多输电线以支持电网维护的需要。通过减少长配电线路的数量,也减少了从发电厂到家庭的电力传输损耗。
正如某些地区的目标一样,通过建设可再生基础设施而不是更多的化石燃料工厂,有机会将一个城市或地区的碳足迹降到最低。纳税人受燃料价格波动的影响较小。阳光是免费的,而化石燃料每天都有不同的市场价值,并且在全球范围内面临供应中断。
在温泉城外,杜克大学计划在南卡罗来纳州、佛罗里达州、印第安纳州、俄亥俄州和肯塔基州建设这类基础设施。
杜克分布式能源集团总经理杰森·汉德利解释说:“在我们的一些沿海地区,一些其他山区,甚至可能在市中心地区,我们将有其他机会这样做,因为他们不希望噪音。”“说实话,发电机会产生噪音。”
我们是抵制变革的大旋转涡轮机吗?大多数针对限电和停电的社区解决方案都涉及建设大型发电厂和修复数千英里的过时电网,为各州或地区供电。
如果我们减少在全国各地开辟的新线路的数量,让大型化石燃料发电厂的涡轮机高兴,就好像涡轮机是客户一样?这些孤立的、由逆变器驱动的电站可能是电网弹性和可持续性因素的关键组成部分,我们正试图平衡这些因素,以保持电力供应。