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中国水利水电科学研究院主办 5 月专刊 主编：孟志敏 平衡绿色电力—如何应对易变能源 责编：孟 圆 张 诚 2017 年5 月12 日 平衡绿色电力—如何应对易变能源 完整报告链接： /book/978-0-7503-1230-1 一、易变可再生能源 目前，可再生能源供应了全球约23% 的电力。预计这一比例还会急剧飙升，在本世纪中叶 达到50%甚至以上(Elliott 2015) 。当然，基本资源十分可观。地球自然流动的能量相当多。进入 地球大气层的太阳能驱动了风、海浪和水文循环，太阳、月亮的引力又共同引起了潮汐(Boyle 2012) 。如果能有效地捕获这些能量流和能源，那么所提供的能量比人类在无限期未来所需的能 量都要多得多。 不过，这些能源是不断变化的。在某个地点的某个时间点，这些来源可用的能量可能会很 低或很高。能量流偶尔会势不可挡（例如在风暴期间），但到了晚上，接收到的太阳能实际上 为零；而在某些地方，一年中的某些时候，风速会降为零。人类已经学会适应这些变化。但是， 人类在试图依赖这些来源满足我们的能源需求时，有时会把这些变化描述成基本缺陷。 很明显，风不可能一直吹，太阳不可能一直当头照，而批评者很容易对现在所谓的可再生 能源不屑一顾。他们觉得，无风时的风力涡轮机或黑夜里的太阳能电池阵列，象征了成本高、 效率低、不可靠的间歇性能源利用技术。 某些可再生能源确实不断变化，这一点毋庸置疑。风力会非常不稳定，因为它依赖于复杂 的天气系统，所以在特定位置，风力涡轮机的能源可用性会不断变化。图 1.1 显示了英国的情 况。 风力涡轮机能源输出波动范围很大，因为发电潜能与风速的立方成正比，风速微小的变动 会导致输出发生很大的变化。太阳能面临的难题略有不同：云是个问题，天黑当然更是个问题。 这样看来，这些能源基本上都不可靠。 1 第二版 五月专刊 图1.1 英国风电场在一年中的每日输出变化(Carbon Counter2015) 。 不过，现实情况却要复杂得多。如果你想把单台风力涡轮机作为主要能源，你肯定会遇到问题， 因为这种能源很可能是间歇性的，或者至少以很大的幅度变化。不过，如果让很多地理位置分散的 涡轮机把能源输入到电网系统中，那么局部个体的能源输入变化可能就无关紧要了：虽然某个位置 的风速很低，但是其他位置可能风速很高。后面的章节将指出，地理分散并不能完全补偿风力的局 部变动（有可能一大片区域都无风），但通常可以在某种程度上减缓这些变化。此外，即使是地理 分散相对有限的太阳能收集器，也能缓和单片阴云造成的短期发电量变化，但要假设整个区域并不 完全是阴天。 另外，值得指出的是，易变能源不仅仅包括风能、太阳能这样的可再生能源。大部分能源技术 会因为设施意外故障或计划性维修而出现“停机期” 。即使是核电厂，每年也可能要停机几个星期， 或者停机加燃料。再加上这些复杂电厂不可避免会出现运营问题，停机不可避免。例如，2007-2012 年，英国核电厂集群的年均负荷系数（实际能源输出测量值，而非理论上可能存在的数值）约为62% 。 在这之后，英国以及其他地区的负荷系数不断提高。据说新建的核电厂负荷系数会更高，达到 80-90%或以上。当然，风力发电厂也在不断改进。例如，根据记录，2014 年英国陆上风电厂年均负 荷系数达到26% ，海上风电场的年均负荷系数达到38% 。随着技术不断改良，海上风电项目进一步 迈向风况更可靠的海域，这一数字还会继续提高。 尽管如此，风力涡轮机的负荷系数依然很低，这一点显而易见。这就意味着，在实践中，风力 2 第三版 五月专刊 涡轮机会面临停机期。值得注意的是，30%的负荷系数并不意味着只有30%的运行时间，取决于地 点，风力涡轮机通常在70% 的时间