本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
可再生能源的批評者經常指出，像風能和太陽能這樣的技術只有在有風或有陽光時才能產生能源。他們認為，在開發出合適的儲能技術之前，我們無法有效地利用可再生能源。雖然風能和太陽能不能全天候發電確實是一個主要缺點，但我發現與許多可再生能源的間歇性相關的實際問題常常被誇大，並且很少從實際角度進行討論。在本文中，我將介紹間歇效能源所帶來的一些主要挑戰，然後討論三種可能的解決方案。
間歇性可再生能源的挑戰
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整合可變電力來源的困難源於電網是圍繞大型、可控的發電機概念設計的。如今，電網運營商使用三階段規劃流程，以確保發電廠在正確的時間產生適量的電力，以持續可靠地滿足電力需求。由於電網的儲存容量非常小，因此必須始終保持電力供應和需求之間的平衡，以避免停電或其他連鎖問題。
間歇性可再生能源具有挑戰性，因為它們破壞了規劃電網日常執行的傳統方法。它們的功率在多個時間範圍內波動，迫使電網運營商調整其日前、小時前和即時操作程式。
以太陽能電池板為例。太陽能本質上只在白天可用，因此電網運營商必須調整日前計劃，以包括可以快速調整其功率輸出的發電機，以補償太陽能發電的上升和下降。此外，通常每天都發電的發電廠可能會被要求在中午關閉，以便使用太陽能產生的能量來代替化石能源。
除了日出和日落引起的每日波動外，太陽能電池板的輸出還可能因雲層而突然變化。雲層引起的變化會使電網運營商更難預測在下一小時需要多少額外的發電量，因此很難準確計算出每個發電機的輸出量，以完成上圖中確定的負荷跟蹤階段。
風能或太陽能輸出的快速波動不僅會破壞電網規劃的每小時負荷跟蹤階段，還會破壞總電力供應和需求之間的秒級平衡。如今，電網運營商大約每四秒鐘向發電廠傳送一次訊號，以確保注入電網的總功率始終等於提取的總功率。由於風能和太陽能增加了突然發電短缺或過剩的幅度，電網運營商需要更多備用電力，隨時準備響應，以確保電網保持平衡。
雖然可再生能源在許多方面擾亂了電網的執行，但並非不可能彌補額外的間歇性和不確定性。事實上，許多克服可再生能源可變性的策略比你想象的要簡單。以下部分回顧了在不需要昂貴的儲能的情況下，可用於整合可再生能源的策略。
大數定律
乍一看，新增過多可再生能源可能會破壞電網的微妙平衡，但這實際上隨著連線到電網的可再生能源發電機數量的增加，可再生能源實際上變得更加可預測，這歸功於地域多樣性和大數定律的影響。
大數定律是一個機率定理，它指出，大量不確定過程的總體結果會隨著過程總數的增加而變得更可預測。應用於可再生能源，大數定律表明，連線到電網的每個風力渦輪機和太陽能電池板的總輸出比單個發電機的輸出波動小得多。
由於電網運營商只關心平衡可再生能源的總量與電網的其餘部分，因此大數定律導致平衡可再生能源與電網的秒級所需備用容量遠小於直覺所暗示的。在德克薩斯州電力可靠性委員會委託的研究中，通用電氣計算了隨著德克薩斯州增加風能裝機容量，需要多少新的備用容量。該報告發現，額外安裝 15,000 兆瓦的風能只需要額外的 18 兆瓦新的靈活備用容量即可維持電網的穩定性。換句話說，一家快速啟動的天然氣發電廠的備用容量可以補償 5,000 臺新的平均尺寸風力渦輪機所引入的可變性。
預測的力量
雖然大數定律和地域多樣性的影響導致可再生能源在秒級的基礎上平滑其自身的波動，但仍然很難預測在接下來的一兩個小時內可再生能源的預期發電量。
幸運的是，經驗表明，可以有效地建模和預測可供電網使用的總可再生能源。風能和太陽能都依賴於可以以合理精度進行建模和預測的自然系統。如今，風能佔德克薩斯州年發電量的 10% 以上，這在一定程度上歸功於有效的風力發電預測。這一點尤其重要，因為德克薩斯州擁有一個獨特的孤立電網，無法從州外獲得額外的常規發電量。
近年來，圍繞解釋網路和其他來源的資料以用於有針對性的廣告、政治宣傳和各種其他實踐的行業已經興起。許多為預測您是否會點選網路廣告而開發的演算法和策略也可以用來預測風力或太陽能電池板的預期輸出。
未來，我相信將更需要有效的可再生能源預測，並且越來越先進的模型和演算法來預測可再生能源在提前一小時或一天的輸出將滿足這一需求。
在正確的時間和地點激勵能源生產
雖然可以透過聚合和預測來管理可再生能源輸出的秒級和小時級波動，但要提前一天預測可再生能源的可用量就困難得多。
將大部分間歇性可再生能源整合到我們的日常電力運營中，將需要多種來源的組合，這些來源相互補充，以便大致等於我們一天的總能源需求。從技術上講，這是可行的，因為大陸風能往往在夜間達到峰值，沿海風能往往在白天達到峰值，而太陽能可以在一天中的不同時間達到峰值，具體取決於它的朝向。
要實現這種組合，將需要一個高效且有效的電力市場，該市場可在正確的時間和地點激勵發電。現有的競爭性電力市場已經有價格，這些價格會根據當地的電力供需水平在一天中和區域內變化。讓可再生能源暴露於這些價格可以幫助鼓勵可再生能源的組合，在我們需要的時候生產適量的能源，並減少對昂貴儲能的需求。
未來的可持續電網
雖然許多可再生能源的間歇性所帶來的挑戰無疑增加了有效運營電網的複雜性，但它們遠非不可克服。在許多方面，與最初鋪設所有電線、建造所有發電廠以及實施構成當前電網的所有控制所克服的巨大挑戰相比，它們相形見絀。最大限度地降低與可再生能源可變性相關的成本將是未來幾年和幾十年的主要挑戰。我毫不懷疑，出現的解決方案將在許多方面讓我們感到驚訝。
圖片來源：DOE/EERE、CAISO、Perez 等人，2009 年、NCAR、Flickr 使用者 jedavillabali。