2014年全球十大突破技术之智能风能和太阳能

在科罗拉多州东部开阔的平原上，风力发电正在蓬勃发展。从利蒙镇出发，沿着71号高速公路向北行驶7英里，之后向东转，上郡道，沿着新铺设的输电线路能看到大片覆盖着尘土的碎石，而在几分钟内，你就会被一列列绵延数英里的高耸的风力涡轮机包围。2011年后，在这个区域建成了3个大型风电场。今年还有一个新的正在建设中。

这数百个涡轮机中，几乎每一个都会每隔几秒钟就记录一次风速和它自身的功率输出。每隔5分钟，它们都会把数据发送给100英里外，位于博尔德的美国国家大气研究中心（NCAR）的高性能计算机。基于人工智能的软件会处理这些数字，以及来自气象卫星、气象站和州内其他风电场的数据。

这样做的结果是：精确程度前所未有的风电功率预报让科罗拉多州能够以低成本使用更多的可再生能源，远超电力公司过去所能想象。

这样的预报正在帮助电力公司应对风力发电面临的最大挑战之一：它的间歇性。少量利用风电对于电力公司来说是没有问题的，它们已经习惯于处理变化——毕竟，电力需求会随季节改变，甚至每分钟都会发生变化。

不过，想利用大量风电的电力公司需要后备电力来防备风突然减弱的情况。这些后备发电厂一般都是烧化石燃料的，成本昂贵且污染较严重。但是有了更精确的预报，电力公司就可以削减储备电力，尽量减少它们的出场。

在预报技术发展起来之前，为科罗拉多州供应了大部分电力的Xcel Energy公司，曾经做广告反对一项要求其发电量中的10%由可再生能源提供的提案。它向客户邮寄传单，声称这样的任务会让未来20年的电力成本增加15亿美元。

但是，很大程度上归功于预报技术的改善。作为美国最大的电力公司之一，Xcel的态度已经彻底改变了。它容纳了比任何其他美国电力公司都要多的风电，而且还支持一个要求电力公司30%的发电量都要来自于可再生能源的法案，Xcel称，远多于这个份额的要求它也能轻易满足。

NCAR的预报系统的早期版本发布于2009年，但去年是突破性的一年——精确度显著改善了，预报让Xcel公司节省了几乎和过去三年总和一样多的钱。今年NCAR正在测试一种用于太阳能发电的类似的预报系统。

利用这些详细的预报来设计一个更加灵活和高效的电力系统，可以让我们更经济地实现减少碳排放的宏大国际目标，布赖恩·汉尼根（Bryan Hannegan）说。他是科罗拉多州戈尔登的国家可再生能源实验室（NREL）中一个造价1.35亿美元的设施的主任。在那里，他们使用超级计算机模拟来研究扩大可再生能源发电的规模的方法。

“我们已经知道要实现我们能源和环境的目标应该往哪走，”他说，“过去我们可不能这么说。”

逐风

没有人比Xcel Energy的电厂调度员戴顿·琼斯更了解把风电纳入电网的挑战。坐在丹佛市中心的Xcel大厦10层的位子上，他负责给科罗拉多州带来光明。要完成这个任务，他需要通过启动和关闭发电厂并控制它们的输出功率来匹配发电量和电力需求。输出过多或过少的电力都可能损坏电力设施，甚至让电网断电。风力发电因其大幅度的波动，另他的工作变得更困难。

运行后备的化石燃料发电厂意味着“把碳抛入天空”：“不但费钱，还对环境有害。”

几年前，像琼斯这样的调度员不信任那些预测给定时间内电网会获得多少风电的预报。那些预报结果一般都要差20%，而且有时风力发电情况与预报完全不符。解决办法是让一些化石燃料电厂空转，随时准备在几分钟内顶替所有风电。这种方法成本昂贵，而且电力系统越是要依靠风力发电，它就越昂贵。更糟糕的是，运行后备的化石燃料发电厂意味着“把碳抛入天空”， NCAR的研究应用实验室副主任威廉·马奥尼（William Mahoney）说，“不但费钱，还对环境有害。”

NCAR的预报让琼斯对风电有了足够的信心，从而可以关闭许多空转的后备发电厂。视乎预报的确定性，后备电厂的数量也会有所不同。如果天气寒冷潮湿，风力涡轮机上可能会结冰，从而导致它们转动缓慢或停止转动，那么他可能就需要足够多的化石燃料后备电厂来完全取代他的风电。

但是在风既稳定又充足的好天气的日子，他可能会关闭所有的快速响应后备电厂，甚至包括那些通常为了响应电力需求的变化而保留的电厂。在这种情况下，琼斯可以利用风电场自身确保电力供应与需求相匹配：一个风力涡轮机的输出功率几乎可以瞬间改变，只需调节叶片的角度，使它们捕获到的风增多或减少。丹佛Xcel大厦内的电脑会告诉风电场要发多少电，自动控制协调数百个涡轮机，根据需要在每分钟随时改变输出。

Xcel公司最初的预报只使用每个风电场中一个或两个气象站的数据。现在NCAR几乎从每一个风力涡轮机收集信息。数据被送入一个高分辨率的天气模型，并与其他5个风力预报的输出结果合并。利用历史数据，NCAR的软件了解到对于每个风电场哪个预报结果是最佳的，并相应地给预报分配不同的权重。由此得到的强化预报比任何原始预报都更准确。然后，利用关于风电场中每个涡轮机在不同的风速下能发多少电的数据，NCAR会告诉Xcel未来某时间风电场预计能输出多少电力，预报的时间点间隔15分钟，最远可达7天。

NCAR和Xcel公司下一步要做的是太阳能发电的预报，但这甚至可能比风电预报更棘手。一方面，Xcel公司没有得到私人屋顶太阳能电池板发电量的信息，所以它不知道阴云密布时太阳能发电量的损失有多大。NCAR的新太阳能预报将利用来自卫星，天空成像仪，污染监测仪以及公有的太阳能电池板的数据来推断当前的太阳能发电量，然后预测发电量将如何变化。

虚拟能源

极精确的风能和太阳能预报，怎样能帮助我们充分利用可再生能源，以达到显著减少二氧化碳排放的气候目标呢？NREL新能源系统集成中心的研究人员从研究风能和太阳能发电能否相互补偿开始。例如，夜晚增强的风力在多大程度上可以弥补阳光的缺失？他们也在研究如何把预报与智能洗碗机、热水器、太阳能电池板逆变器、水处理厂和电动汽车充电器整合起来，不仅要适应风的变化，还要渡过不可避免的无风时期和持续数周的多云天气，且无需求助化石燃料。

以电动汽车为例。一辆车储存的电足够任何地方的房子使用半天到数天，取决于电池组的大小。它具有先进的电力电子技术，可以定时充电并调节充电速度，这可以提供一种帮助波动的风电与用电需求相匹配的方法。只需一些小的改动，汽车的电池就可以把存储的电力输送给家庭和电网。现在电动汽车还不多，但在可再生能源在电力供应中所占比例超过30％或40％（现在的风能占4％，太阳能不足1％）之前还有几十年的时间，这样的状况很容易改变。

在NREL，研究者可以把30辆电动汽车插入充电装置，让它们接入运行在一台超级计算机上的电网模拟，来预测如果有数千辆汽车连接到电网上时会发生什么。他们的想法是，让电动汽车储存来自太阳能电池板的电力，并在晚上的电力需求高峰时段用它为街区供电，然后在凌晨利用风电为电池充电。

NCAR正在研发的那类预报将是“绝对关键的”，NREL的高级研究工程师布里-马蒂亚斯·霍奇（Bri-Mathias Hodge）说。它们会帮助确定汽车电池应该在什么时候充电，以最大限度地提高它们能提供给电网的电力，同时不给驾驶者带来电力不足的问题。

甚至在这一切成为现实之前，来自NCAR的预报就已经在发挥巨大的影响了。去年，在一个电力需求较低，刮着大风的周末，Xcel公司创下了一个纪录：一小时内，它为科罗拉多州提供的电力有60%来自风电。 “在几年前，这样的风电穿透率会让调度员心脏病发作，”在Xcel公司负责可再生能源集成的德雷克·巴特利特（Drake Bartlett）说。他指出，过去他们不知道来自风电的电力是否会突然完全消失。 “现在我们就能从容处理这种状况了，”他说。“而这个纪录将会被打破。”