中國儲能網(wǎng)訊：智慧風(fēng)能和太陽能
撰稿：《技術(shù)評論》雜志資深編輯凱文·布利斯。
大數(shù)據(jù)和人工智能使人們能對天氣或能耗進行更精確地預(yù)測，從而能將更多可再生能源整合進電網(wǎng)。
突破點：對風(fēng)能和太陽能進行超精確的預(yù)測。
為什么它很重要：處理好可再生能源的間歇性問題對于其日常運用至關(guān)重要。
主要參與者：美國Xcel Energy公司、通用電氣（GE）電能公司、美國國家大氣研究中心。
在美國科羅拉多州東部開闊的平地上，風(fēng)能發(fā)展得如火如荼?？屏_拉多是風(fēng)強排名第11的州，并且每年擁有250多個陽光充足的日子。自從2011年起，這里已經(jīng)建成了3個大型風(fēng)力發(fā)電廠，今年也將會有一個風(fēng)力發(fā)電廠開工建設(shè)。
數(shù)百個渦輪機每隔幾秒就會對風(fēng)速和能量輸出進行記錄；每隔5秒，它們就會朝160公里外的美國國家大氣研究中心（NCAR）的高性能計算機發(fā)送數(shù)據(jù)。在NCAR，人工智能軟件會對這些數(shù)據(jù)以及氣象衛(wèi)星、氣象站和該州其他風(fēng)力發(fā)電廠傳回的數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果使風(fēng)能預(yù)測達到前所未有的精度，這就使科羅拉多州能以更低的成本使用更多可再生能源。
這種超精準(zhǔn)的預(yù)測有助于能源公司解決風(fēng)能面臨的最大一個問題：其間斷性（或者說間歇性）。對公用設(shè)施來說，使用少量風(fēng)能完全沒有問題。但使用大量風(fēng)能的公用設(shè)施需要后備電源，從而預(yù)防風(fēng)力的突然消失。這些備用發(fā)電站一般都通過燃燒化石能源供電，不僅昂貴而且骯臟。如果能更精確地對風(fēng)能進行預(yù)測，公用設(shè)施可以削減備用發(fā)電站的需求。
在這些精準(zhǔn)預(yù)測出現(xiàn)之前，為科羅拉多州提供大多數(shù)電能的Xcel Energy公司刊登了一些廣告，反對一項提案——可再生能源僅占其總能源的10%，該公司認(rèn)為，這一提案會使電力成本在接下來的20年內(nèi)增加15億美元。部分仰仗預(yù)計能力的提高，Xcel公司的廣告取得了預(yù)期的效果?，F(xiàn)在，可再生能源可占其總能源的30%，該公司表示，這一目標(biāo)很容易達到，還可以更高。
早在2009年，NCAR就發(fā)布了簡單版的預(yù)測系統(tǒng)，但去年是取得突破的一年，預(yù)測的精確度顯著提高，預(yù)測為Xcel公司節(jié)省的金錢幾乎等于前3年的總和。目前，NCAR正在測試針對太陽能的預(yù)測系統(tǒng)。
美國國家可再生能源實驗室（NREL）主任布萊恩·漢尼根表示，對這些預(yù)測的細(xì)節(jié)進行挖掘，可以研發(fā)出更靈活可靠且高效的電力系統(tǒng)，這有望使美國的碳排放量大幅降低；另外，使用超級計算機模擬還可以找到擴大可再生能源規(guī)模的方法。
沒人能比戴頓·瓊斯更關(guān)心風(fēng)能能否融入電網(wǎng)中，瓊斯是Xcel Energy公司的一名電廠調(diào)度員，他負(fù)責(zé)在Xcel大廈管理科羅拉多州路燈的開啟與關(guān)閉。要做好這項工作，瓊斯需要將用電需求與發(fā)電量結(jié)合在一起，控制風(fēng)力發(fā)電機的開啟與關(guān)閉，從而更好地控制電力產(chǎn)出。風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電太多或太少都可能損壞電力設(shè)施，甚至還能讓一個地區(qū)停電。鑒于風(fēng)力發(fā)電具有極大的波動性，所以，他的這項工作并不好做。
幾年前，像瓊斯這樣的電力調(diào)度員根本就不相信可以對給定時間內(nèi)的風(fēng)能多少進行預(yù)測，有時候，預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果相差20%，有時候預(yù)報說可以發(fā)電，結(jié)果根本就沒風(fēng)。解決辦法就是讓化石燃料發(fā)電廠一直開著，隨時受命。這種方法的成本很高，而且系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電的倚賴程度越高，成本就越高。NCAR研究應(yīng)用實驗室的副主任威廉姆·馬奧尼表示，讓備用發(fā)電廠一直運行也意味著“在不斷朝空中排放二氧化碳，這不僅花錢，而且對環(huán)境也不好，可謂得不償失”。
NCAR的精準(zhǔn)預(yù)測給了瓊斯足夠的信心來關(guān)閉一些空轉(zhuǎn)的燃料發(fā)電機，具體需要關(guān)閉多少，還得看預(yù)報。如果天氣又冷又潮，風(fēng)力渦輪機上可能會結(jié)冰，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速減慢或根本不轉(zhuǎn)，這時，瓊斯可能就需要把燃料發(fā)動機全部開啟來供電。但如果天氣風(fēng)和日麗，瓊斯就可以關(guān)閉所有的快速反應(yīng)備用電源，包括那些應(yīng)對用電需求變化而準(zhǔn)備的電源。在這樣的環(huán)境下，瓊斯可以用風(fēng)力發(fā)電場提供的電來滿足用電需求：通過改變風(fēng)力渦輪葉片的角度，讓其捕獲更多或更少的風(fēng)，可以改變風(fēng)力渦輪機的電能產(chǎn)出。Xcel Energy公司的計算機會告知風(fēng)力發(fā)電廠需要生產(chǎn)多少電能；對幾百臺風(fēng)力發(fā)電機進行控制，從而按需調(diào)整發(fā)電量。
NCAR和Xcel Energy的下一個目標(biāo)是預(yù)測太陽能，但這一任務(wù)的難度要大很多。原因之一在于，Xcel無法獲悉私人太陽能發(fā)電板的發(fā)電量，所以，也不知道在陰天會失去多少電能。NCAR的太陽能發(fā)電預(yù)測系統(tǒng)將使用衛(wèi)星、天空攝像機、污染監(jiān)控器以及公用太陽能發(fā)電板提供的數(shù)據(jù)來推測此刻太陽能發(fā)電的電力產(chǎn)出。
那么，這種精準(zhǔn)的太陽能、風(fēng)能預(yù)測如何幫助我們更多地使用可再生能源從而顯著減少碳排放呢？NREL新能源系統(tǒng)集成部門的研究者們正在努力尋找風(fēng)能和太陽能互補的方法。比如說，晚上的風(fēng)能可以補充晚上太陽能的空缺。他們也在考慮將這兩套預(yù)測系統(tǒng)與智能洗碗機、熱水器、水處理站以及電動汽車加油站結(jié)合起來，在長期無風(fēng)或陰天時也能供電。
以電動汽車為例，一輛汽車儲存的電力，根據(jù)電池組的大小，可以供一個家庭用半天到四五天。它復(fù)雜的電路能對用電時間、電力波動進行很好地控制，可以在風(fēng)能波動時找到辦法滿足能源需求。只需要進行小小的改動，汽車的電池就可以存儲能量為家庭供電，甚至將剩余電量輸送到電網(wǎng)。盡管目前電動汽車的數(shù)量還不是太多，但在未來數(shù)十年內(nèi)，可再生能源占電力供應(yīng)總量的30%到40%（現(xiàn)在風(fēng)能占4%，太陽能不到1%），情況就不一樣了。
NREL的研究人員將30輛電動汽車放在碼頭上，讓它們與超級計算機上的模擬電網(wǎng)相互作用，從而預(yù)測如果數(shù)千輛汽車都聯(lián)入電網(wǎng)會發(fā)生什么情況。研究人員的想法是，電動汽車能將來自太陽能電池板的能量存儲起來，在夜晚的用電高峰時段為臨近的房屋供電，早上再花幾小時用風(fēng)能為汽車充電。
雖然說這一點要真正成為現(xiàn)實還有一段時間，但NCAR的預(yù)測已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的影響。去年一個風(fēng)大的周末，電力需求很低，Xcel Energy公司創(chuàng)造了一項記錄：在一個小時內(nèi)，科羅拉多州用電量的60%來自風(fēng)力發(fā)電。Xcel Energy可再生能源部門的主管德雷克·巴特雷特說：“幾年前，這一比例會將調(diào)度員嚇個半死，因為風(fēng)太不穩(wěn)定，他們不知道是否會突然失去所有的電力，但我們已經(jīng)實現(xiàn)了突破，這一紀(jì)錄會下降。”（
