本文发表在《大众科学》的前博客网络中，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
可再生能源的批评者经常指出，像风能和太阳能这样的技术只有在有风或有阳光时才能产生能源。他们认为，在开发出合适的储能技术之前，我们无法有效地利用可再生能源。虽然风能和太阳能不能全天候发电确实是一个主要缺点，但我发现与许多可再生能源的间歇性相关的实际问题常常被夸大，并且很少从实际角度进行讨论。在本文中，我将介绍间歇性能源所带来的一些主要挑战，然后讨论三种可能的解决方案。
间歇性可再生能源的挑战
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整合可变电力来源的困难源于电网是围绕大型、可控的发电机概念设计的。如今，电网运营商使用三阶段规划流程，以确保发电厂在正确的时间产生适量的电力，以持续可靠地满足电力需求。由于电网的存储容量非常小，因此必须始终保持电力供应和需求之间的平衡，以避免停电或其他连锁问题。
间歇性可再生能源具有挑战性，因为它们破坏了规划电网日常运行的传统方法。它们的功率在多个时间范围内波动，迫使电网运营商调整其日前、小时前和实时操作程序。
以太阳能电池板为例。太阳能本质上只在白天可用，因此电网运营商必须调整日前计划，以包括可以快速调整其功率输出的发电机，以补偿太阳能发电的上升和下降。此外，通常每天都发电的发电厂可能会被要求在中午关闭，以便使用太阳能产生的能量来代替化石能源。
除了日出和日落引起的每日波动外，太阳能电池板的输出还可能因云层而突然变化。云层引起的变化会使电网运营商更难预测在下一小时需要多少额外的发电量，因此很难准确计算出每个发电机的输出量，以完成上图中确定的负荷跟踪阶段。
风能或太阳能输出的快速波动不仅会破坏电网规划的每小时负荷跟踪阶段，还会破坏总电力供应和需求之间的秒级平衡。如今，电网运营商大约每四秒钟向发电厂发送一次信号，以确保注入电网的总功率始终等于提取的总功率。由于风能和太阳能增加了突然发电短缺或过剩的幅度，电网运营商需要更多备用电力，随时准备响应，以确保电网保持平衡。
虽然可再生能源在许多方面扰乱了电网的运行，但并非不可能弥补额外的间歇性和不确定性。事实上，许多克服可再生能源可变性的策略比你想象的要简单。以下部分回顾了在不需要昂贵的储能的情况下，可用于整合可再生能源的策略。
大数定律
乍一看，添加过多可再生能源可能会破坏电网的微妙平衡，但这实际上随着连接到电网的可再生能源发电机数量的增加，可再生能源实际上变得更加可预测，这归功于地域多样性和大数定律的影响。
大数定律是一个概率定理，它指出，大量不确定过程的总体结果会随着过程总数的增加而变得更可预测。应用于可再生能源，大数定律表明，连接到电网的每个风力涡轮机和太阳能电池板的总输出比单个发电机的输出波动小得多。
由于电网运营商只关心平衡可再生能源的总量与电网的其余部分，因此大数定律导致平衡可再生能源与电网的秒级所需备用容量远小于直觉所暗示的。在德克萨斯州电力可靠性委员会委托的研究中，通用电气计算了随着德克萨斯州增加风能装机容量，需要多少新的备用容量。该报告发现，额外安装 15,000 兆瓦的风能只需要额外的 18 兆瓦新的灵活备用容量即可维持电网的稳定性。换句话说，一家快速启动的天然气发电厂的备用容量可以补偿 5,000 台新的平均尺寸风力涡轮机所引入的可变性。
预测的力量
虽然大数定律和地域多样性的影响导致可再生能源在秒级的基础上平滑其自身的波动，但仍然很难预测在接下来的一两个小时内可再生能源的预期发电量。
幸运的是，经验表明，可以有效地建模和预测可供电网使用的总可再生能源。风能和太阳能都依赖于可以以合理精度进行建模和预测的自然系统。如今，风能占德克萨斯州年发电量的 10% 以上，这在一定程度上归功于有效的风力发电预测。这一点尤其重要，因为德克萨斯州拥有一个独特的孤立电网，无法从州外获得额外的常规发电量。
近年来，围绕解释网络和其他来源的数据以用于有针对性的广告、政治宣传和各种其他实践的行业已经兴起。许多为预测您是否会点击网络广告而开发的算法和策略也可以用来预测风力或太阳能电池板的预期输出。
未来，我相信将更需要有效的可再生能源预测，并且越来越先进的模型和算法来预测可再生能源在提前一小时或一天的输出将满足这一需求。
在正确的时间和地点激励能源生产
虽然可以通过聚合和预测来管理可再生能源输出的秒级和小时级波动，但要提前一天预测可再生能源的可用量就困难得多。
将大部分间歇性可再生能源整合到我们的日常电力运营中，将需要多种来源的组合，这些来源相互补充，以便大致等于我们一天的总能源需求。从技术上讲，这是可行的，因为大陆风能往往在夜间达到峰值，沿海风能往往在白天达到峰值，而太阳能可以在一天中的不同时间达到峰值，具体取决于它的朝向。
要实现这种组合，将需要一个高效且有效的电力市场，该市场可在正确的时间和地点激励发电。现有的竞争性电力市场已经有价格，这些价格会根据当地的电力供需水平在一天中和区域内变化。让可再生能源暴露于这些价格可以帮助鼓励可再生能源的组合，在我们需要的时候生产适量的能源，并减少对昂贵储能的需求。
未来的可持续电网
虽然许多可再生能源的间歇性所带来的挑战无疑增加了有效运营电网的复杂性，但它们远非不可克服。在许多方面，与最初铺设所有电线、建造所有发电厂以及实施构成当前电网的所有控制所克服的巨大挑战相比，它们相形见绌。最大限度地降低与可再生能源可变性相关的成本将是未来几年和几十年的主要挑战。我毫不怀疑，出现的解决方案将在许多方面让我们感到惊讶。
图片来源：DOE/EERE、CAISO、Perez 等人，2009 年、NCAR、Flickr 用户 jedavillabali。