本文由博主近来几篇论文（见上一篇博文的延伸阅读）中的一些观点和素材整理而成。

云电力：一种未来电力供应的新模式

一、前言

       随着化石能源的日益枯竭以及日益增长的环境压力等因素的驱动，人类已经认识到必须大力发展以可再生能源，并逐步实现可再生能源替代化石能源的重大变革。由于可再生能源的主要利用方式是发电，因此可以预见，在不远的将来，一次能源以可再生能源为主、终端能源以电力为主的能源格局将变成现实。然而，与传统的化石能源不同的是，像太阳能、海洋能和风能（特别是风能）这样的可再生能源从局部来看是很不稳定的，受天气的变化影响很大，而人们需要的电能应该是能够即时获取的。这就是说，可再生能源资源的可获得性和人们对电能的需求之间存在很大的差异。如何解决这一矛盾，将成为可再生能源能否大规模应用的关键。近些年来，有识之士认识到应该大力发展储能技术来解决这一矛盾。但是，迄今为止，所有的储能系统要么成本很高、要么效率很低、要么使用寿命较短、要么三者兼而有之。如何更为合理的使用可再生能源，并构造一个优化的高效的能源体系—主要是构造一个合理的、高效的、优化的电网，是值得我们认真思考的问题。

二、可再生能源资源的互补性分析

       在我们探索未来优化的能源体系之前，让我们来分析一下未来电网各种电力资源的互补性是非常有益的。如果仅仅考虑某一可再生能源发电站，像风能、太阳能、海洋能等可再生能源这样的发电站，则其发电功率是不稳定的、无规律的、间歇的、难以按照我们的需要来进行调控的，也就是说，这种能源似乎是难以驾驭和控制的。然而，如果将大量的多种电力资源“打包”在一起，则资源的互补性也许可以使得“电力包”成为相对稳定和可控的资源。为此，我们从以下几个方面来研究未来电网各种电力资源的互补性。

2.1 时间上的互补性

       一些资源只在某一时段可获得，而另外一些资源则在另一些时段显得更加充足或在另一些时段根据需求被利用起来。例如，太阳能只能在白天利用，而晚上的风力和波浪能显得更加强劲；夏季的水电资源更加充沛，而冬季的太阳能和风力资源更加丰富。由于时差的原因，东西部地区的太阳能就具有时间上的互补性。水电资源具有一定的可控性，可以通过调节水电站的发电功率和库容量来实现对太阳能或风能的补偿作用。例如，在24小时之内，可在风能和太阳能等充足的时候，适当减少水电功率并增加库容量，而在太阳能和风能减少的时候，适当增加水电功率。生物质能相对于其它可再生能源而言，具有更好的时间上的互补性，因为生物质能是一种可以大量储存的能源资源，只要任何时候缺少来自太阳能和风能的电力，均可以启动生物质能发电来予以补充。

       我国水电资源的理论储量为6.88亿千瓦，技术上可以开发利用的水电资源总量达到5.4亿千瓦，经济上可开发量达到4亿千瓦（相当于2010年发电总装机的40%），目前已开发的水电总装机超过了2亿千瓦，仍有很大的开发潜力。2010年，我国可以利用的各种生物质资源相当于3亿吨标准煤，据估计，到2050年，可利用的生物质能将达到10亿吨标准煤，按照年满发5500小时计算的话，就可以发电约5亿千瓦，如果只作为旋转备用的话，可以安装的生物质发电装机将大大高于5亿千瓦。据中国科学院技术学部研究报告的预测，到2050年，我国的总发电装机将达到24亿千瓦。即使2050年我国太阳能发电与风力发电的装机分别达到5亿千瓦和4亿千瓦，水电和生物质能在时间上可以与太阳能和风能等形成很好的互补，实际上可以起到大容量储能系统的作用。

2.2 空间上的互补性

       所谓空间上的互补性，是指在同一时刻不同地点的能源资源具有互补性。在可再生能源中，风能是最不稳定的能源。德国的有关研究表明：对单个风电场的24小时预测误差达到15%，单个控制区（400×400km）的误差则为7.5%~10%，而全德国（650×800km）的误差仅为为5%~6.5%，这说明范围越大则资源互补性越强。美国特拉华大学和纽约石溪大学最近发表了有关不同地点风力的研究数据，美国东部沿海跨度达2500公里的11个气象站近5年的风力统计数据表明：尽管每一个观测点的风力出现很大的不稳定性，但如果利用输电线路将建立在这11个地点的风电场全部连起来作为一个统一的风电场，则很少会出现低功率或者满发的情况，与单个风电场相比，11个风电场的总功率变化会显得比较缓慢，而且永远不会出现没有风电的情况。由此可见，如果将大范围内的风电场联成一个统一的整体，其发电功率具有显著的互补性。

       尽管本文作者还没有得到有关波浪能或太阳能的有关数据，但可以推测：波浪能与太阳能同样具有空间上的互补性。波浪能与风能在某种程度上是相似的，且单位体积的水具有比空气大得多的惯性，因此波浪能的间歇性和不稳定性的程度较风能低，不同区域的波浪能之间的互补利用，会进一步降低其间歇性与不稳定性。与风能和波浪能相比，太阳能就显得要稳定得多，除了天气的影响外，其变化是确定性的，广域范围内不同地点的太阳能因天气造成的影响也具有互补性，即很少会出现同时没有太阳或者到处都是阳光灿烂的情景。

2.3 不同发电方式之间的互补性

    不同的可再生能源发电方式，其输出响应特性也不尽相同，这在形式上也可以表现为互补性。例如，光伏发电功率受光强度的变化而实时变化，而对于太阳能热发电来说，则由于热力系统的惯性时间常数较大，其发电功率不仅不会随光照强度变化而实时变化，而且可以通过短时调节换热功率而调节其输出功率，因为热力系统可以储存部分热量。同样，对于风力发电来说，不同类型风力发电机的启动风速不尽相同。例如，MW级风机的启动风速约为3-4米/秒，而在大于25米/秒的风速下会自动切出，小型风机的启动风速相对较低且可以在更高风速下运行。。因此，如果在同一风电场采用不同类型的风机并实施统一协调控制，则可以使整个风电场的功率输出变得更加平滑一些。

2.4 电动汽车充电系统的调节作用

电动汽车的动力电池是未来电网中主要的负荷之一，事实上，这种负荷也同样可以看成是电源资源。因为，我们可以在风能或太阳能比较充足的时候提高充电速度，而在它们相对少的时候降低充电速度甚至向电网回馈部分电力，则充电系统可以起到平滑电网电源功率的作用。这里，我们认为换电池模式是未来电动汽车充电的主要模式，因此电动汽车电池充电系统可以根据电网的实际情况变化来充电。

据估计，我国现有汽车保有量约8500万辆，到2020年，我国汽车保有量将达到1.5亿辆。如果按照2050年我国汽车保有量达到4亿辆计算，其中一半是电动汽车（即2亿辆）。假设平均每辆汽车的电池充电一次可以使用4天，则每天有大约5000万辆汽车需要充电。由于太阳能和风能的年有效利用小时数约为2000小时，则可折合为日平均有效利用时间为5.5小时。以每组动力电池的额定充电功率为15千瓦计算，并考虑到其充电速度可以根据太阳能或风能的变化而调节充电速度，以平均充电功率为10千瓦计算（即大约从5千瓦~15千瓦范围内调节），则5.5小时内可以充电约55度（相当于充满一次可行驶约275公里）。由此可以看出，太阳能和风能的日平均有效利用小时数大致相当于一组电动汽车动力电池的平均充电时间，而每组充电系统可以响应太阳能与风能变化的功率可以达到10千瓦，即全国的电动汽车充电设施可以用于电网功率调节的总功率可以达到5亿千瓦。考虑大范围内可再生能源电站之间本身已经具有的互补作用，则5亿千瓦的功率具有相当大的调节作用。

综上所述，虽然太阳能、风能和波浪能等可再生能源具有间歇性和不稳定性的特点，但是如果充分利用这些资源在时空上和发电方式上的互补性并利用水电、生物质发电和电动汽车充电系统的调节作用（即将各种资源有机“打包”在一起），那么，即使不安装大量的储能系统，也可以使电源变得比较平滑稳定和可控，从而向用户输出满足要求的电力。

三、云电力

       由此可见，如果我们采用合理的电网结构和运行模式，把电网覆盖范围的具有间歇性和不稳定性的可再生能源等各种电源有机整合起来，以充分利用各种资源的互补性，则可望为电力用户提供稳定可靠的电力供应。从电力资源的角度来看，与现有电网不同的是：（1）未来电网中的大部分电力资源是随机的、间歇的、不稳定的电源，因而哪些电源能够在何时向电网提供多少电力供应是不确定的；（2）某一电力用户获取的稳定性可靠电力资源是全电网所有电力资源共同作用的结果，而不是来自某一个或几个集中发电厂；（3）电力用户也可以成为电力资源，在需要时向电网提供电力。

云计算是近年来IT业的一个热点话题，其核心思想是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务。提供资源的网络被称为“云”,“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。之所以称为“云”，是因为它在某些方面具有现实中云的特征：其边界是模糊的，云在空中飘忽不定，你无法也无需确定它的具体位置，但它确实存在于某处。

       比较一下云计算与未来的电力资源，我们可以看出它们有多方面的相似之处：（1）用网络连接在不同地点的大量分散资源，统一管理和调度，为用户提供服务；（2）用户可以使用网络上的资源，同时也可以将自己的资源提交给网络；（3）原始资源提供者是“漂浮不定”的，但用户可以通过网络得到其所需要的资源。

正是因为以上原因，我们将未来电网提供的电力资源称之为“云电力”—一种不同于现有电力供应的新模式！