评估笔记本电脑在需求响应应用中的潜力

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Assessing the potential of laptops for demand response applications

分布式笔记本电脑电池的电力需求响应潜力及经济性分析。基于西班牙和德国电网数据及93名员工全年使用模式，通过线性规划模型优化充电/放电策略，在早班和全天工作制下，电费成本分别降低35%-47%和43%-47%，过剩能源利用率提升75%-290%。研究表明，软件协调的分布式储能可显著缓解可再生能源弃风弃光问题，具有部署成本低、可扩展性强等优势。

　　近年来，随着可再生能源的迅速发展，电网的灵活性需求也日益增加。可变可再生能源（VRES）的扩张导致了电力供需之间的不匹配问题，特别是在高比例可再生能源接入的地区，这种问题尤为严重。为应对这一挑战，研究人员开始探索如何利用现有的分布式资源来增强电网的灵活性。其中，笔记本电脑作为一种广泛使用的设备，其内置电池的潜力被逐渐认识到。尽管笔记本电脑通常被视为一种个人设备，但它们在工作和学习环境中大量存在，这为实现电网的灵活调度提供了新的思路。

笔记本电脑的电池容量虽然相对较小，但其数量庞大，具有较高的总体潜力。以2024年为例，全球工作环境中新增的笔记本电脑电池容量达到了15 GWh，这一数字与欧洲当年安装的大型电池储能系统（BESS）容量（21.9 GWh）非常接近。尽管与电动车的电池容量相比，笔记本电脑的灵活性潜力仍然较低，但它们的部署成本低，且无需额外硬件投资，这使得它们成为一种可行的灵活性资源。目前，笔记本电脑的电池通常在断电时才会被使用，而随着设备老化，它们往往在未达到技术寿命时就被更换。因此，挖掘笔记本电脑电池的潜力，将其作为电网灵活性的一部分，具有重要的现实意义。

本研究提出了一种基于软件协调的笔记本电脑需求响应（LDR）策略，旨在通过优化充电和放电周期，将笔记本电脑的电池作为分布式微型电池使用。该策略的核心思想是利用低电价时段进行充电，而在高电价时段利用电池供电，从而减少对电网的负荷需求并降低用户的用电成本。通过结合真实世界的电价数据和基于一年内93名员工的使用情况数据，研究人员构建了一个模拟框架，以评估LDR策略在西班牙和德国两种电网环境下的表现。

在西班牙和德国的模拟分析中，研究者考虑了两种典型的工作时间安排：早间工作模式（MWS）和全天工作模式（FDWS）。早间工作模式下，员工的用电需求主要集中在工作日的上午和下午，而全天工作模式则涵盖了更长的用电时间。结果显示，LDR策略在两种工作模式下均有效，但其性能在全天工作模式下表现更为突出。在德国，全天工作模式下，LDR策略平均降低了47%的用电成本，并使可再生能源的利用增加了290%。而在西班牙，这一策略则分别实现了43%的用电成本降低和104%的可再生能源利用提升。

研究还发现，LDR策略的性能与电网的电价波动性和可再生能源的过剩情况密切相关。在电价波动较大、可再生能源过剩频繁的时段，LDR策略能够发挥更大的作用。例如，在西班牙的4月和9月，由于光伏发电达到峰值，而用电需求相对较低，LDR策略的性能表现尤为突出。而在德国，尽管电价波动性也较高，但其可再生能源过剩的频率略低，因此LDR策略的收益相对较小。

此外，研究还指出，尽管LDR策略的潜在效益很大，但在实际应用中仍面临一些挑战。首先，模型假设用户的用电行为可以被完美预测，这在现实世界中可能并不成立。其次，笔记本电脑的电池使用受到用户行为和设备特性的影响，而这些因素在当前的研究中并未完全考虑。再者，实施LDR策略需要与现有的IT系统、操作系统和安全协议相兼容，这可能带来一定的技术障碍。最后，从经济角度来看，尽管LDR策略本身成本低廉，但其部署和维护可能涉及额外的软件开发和管理成本。

为了解决这些问题，未来的研究和实践应集中在以下几个方面：一是通过实际测量和数据分析，提高模型的准确性；二是引入更灵活的用户行为预测机制，以适应不同的使用场景；三是开发兼容性强的软件解决方案，确保LDR策略能够顺利集成到现有的IT系统中；四是探索LDR策略在灵活性市场中的应用，为大规模部署提供经济激励和市场支持。

总体而言，本研究的结果表明，通过软件协调管理笔记本电脑的电池，可以在不增加额外成本的情况下，为电网提供重要的灵活性资源，同时降低用户的用电支出。这一策略不仅具有现实可行性，而且在技术上也具备一定的优势。尽管目前还处于初步探索阶段，但其潜力已经得到了初步验证。随着技术的进步和政策的支持，LDR策略有望成为未来可再生能源整合的重要手段之一。