在科羅拉多州東部開闊的平原上，風力發電正在蓬勃發展。從利蒙鎮出發，沿著71號高速公路向北行駛7英里，之後向東轉，上郡道，沿著新鋪設的輸電線路能看到大片覆蓋著塵土的碎石，而在幾分鐘內，你就會被一列列綿延數英里的高聳的風力渦輪機包圍。2011年後，在這個區域建成了3個大型風電場。今年還有一個新的正在建設中。
這數百個渦輪機中，幾乎每一個都會每隔幾秒鐘就記錄一次風速和它自身的功率輸出。每隔5分鐘，它們都會把數據發送給100英里外，位於博爾德的美國國家大氣研究中心（NCAR）的高性能計算機。基於人工智能的軟件會處理這些數字，以及來自氣象衛星、氣象站和州內其他風電場的數據。
這樣做的結果是：精確程度前所未有的風電功率預報讓科羅拉多州能夠以低成本使用更多的可再生能源，遠超電力公司過去所能想像。
這樣的預報正在幫助電力公司應對風力發電面臨的最大挑戰之一：它的間歇性。少量利用風電對於電力公司來說是沒有問題的，它們已經習慣於處理變化——畢竟，電力需求會隨季節改變，甚至每分鐘都會發生變化。
不過，想利用大量風電的電力公司需要後備電力來防備風突然減弱的情況。這些後備發電廠一般都是燒化石燃料的，成本昂貴且污染較嚴重。但是有了更精確的預報，電力公司就可以削減儲備電力，盡量減少它們的出場。
在預報技術發展起來之前，為科羅拉多州供應了大部分電力的Xcel Energy公司，曾經做廣告反對一項要求其發電量中的10%由可再生能源提供的提案。它向客戶郵寄傳單，聲稱這樣的任務會讓未來20年的電力成本增加15億美元。
但是，很大程度上歸功於預報技術的改善。作為美國最大的電力公司之一，Xcel的態度已經徹底改變了。
它容納了比任何其他美國電力公司都要多的風電，而且還支持一個要求電力公司30%的發電量都要來自於可再生能源的法案，Xcel稱，遠多於這個份額的要求它也能輕易滿足。
NCAR的預報系統的早期版本發佈於2009年，但去年是突破性的一年——精確度顯著改善了，預報讓Xcel公司節省了幾乎和過去三年總和一樣多的錢。今年NCAR正在測試一種用於太陽能發電的類似的預報系統。
利用這些詳細的預報來設計一個更加靈活和高效的電力系統，可以讓我們更經濟地實現減少碳排放的宏大國際目標，布賴恩·漢尼根（Bryan Hannegan）說。他是科羅拉多州戈爾登的國家可再生能源實驗室（NREL）中一個造價1.35億美元的設施的主任。在那裡，他們使用超級計算機模擬來研究擴大可再生能源發電的規模的方法。
“我們已經知道要實現我們能源和環境的目標應該往哪走，”他說，“過去我們可不能這麼說。”
逐風
沒有人比Xcel Energy的電廠調度員戴頓·瓊斯更了解把風電納入電網的挑戰。坐在丹佛市中心的Xcel大廈10層的位子上，他負責給科羅拉多州帶來光明。要完成這個任務，他需要通過啟動和關閉發電廠並控制它們的輸出功率來匹配發電量和電力需求。輸出過多或過少的電力都可能損壞電力設施，甚至讓電網斷電。風力發電 因其大幅度的波動，另他的工作變得更困難。
運行後備的化石燃料發電廠意味著“把碳拋入天空”：“不但費錢，還對環境有害。”
幾年前，像瓊斯這樣的調度員不信任那些預測給定時間內電網會獲得多少風電的預報。那些預報結果一般都要差20%，而且有時風力發電情況與預報完全不符。解決辦法是讓一些化石燃料電廠空轉，隨時準備在幾分鐘內頂替所有風電。這種方法成本昂貴，而且電力系統越是要依靠風力發電，它就越昂貴。更糟糕的是，運行後備的化石燃料發電廠意味著“把碳拋入天空”， NCAR的研究應用實驗室副主任威廉·馬奧尼（William Mahoney）說，“不但費錢，還對環境有害。”
NCAR的預報讓瓊斯對風電有了足夠的信心，從而可以關閉許多空轉的後備發電廠。視乎預報的確定性，後備電廠的數量也會有所不同。如果天氣寒冷潮濕，風力渦輪機上可能會結冰，從而導致它們轉動緩慢或停止轉動，那麼他可能就需要足夠多的化石燃料後備電廠來完全取代他的風電。
但是在風既穩定又充足的好天氣的日子，他可能會關閉所有的快速響應後備電廠，甚至包括那些通常為了響應電力需求的變化而保留的電廠。在這種情況下，瓊斯可以利用風電場自身確保電力供應與需求相匹配：一個風力渦輪機的輸出功率幾乎可以瞬間改變，只需調節葉片的角度，使它們捕獲到的風增多或減少。丹佛Xcel大廈內的電腦會告訴風電場要發多少電，自動控制協調數百個渦輪機，根據需要在每分鐘隨時改變輸出。
Xcel公司最初的預報只使用每個風電場中一個或兩個氣象站的數據。現在NCAR幾乎從每一個風力渦輪機收集信息。數據被送入一個高分辨率的天氣模型，並與其他5個風力預報的輸出結果合併。利用歷史數據，NCAR的軟件了解到對於每個風電場哪個預報結果是最佳的，並相應地給預報分配不同的權重。由此得到的強化預報比任何原始預報都更準確。然後，利用關於風電場中每個渦輪機在不同的風速下能發多少電的數據，NCAR會告訴Xcel未來某時間風電場預計能輸出多少電力，預報的時間點間隔15分鐘，最遠可達7天。
NCAR和Xcel公司下一步要做的是太陽能發電的預報，但這甚至可能比風電預報更棘手。一方面，Xcel公司沒有得到私人屋頂太陽能電池板發電量的信息，所以它不知道陰雲密佈時太陽能發電量的損失有多大。NCAR的新太陽能預報將利用來自衛星，天空成像儀，污染監測儀以及公有的太陽能電池板的數據來推斷當前的太陽能發電量，然後預測發電量將如何變化。
虛擬能源
極精確的風能和太陽能預報，怎樣能幫助我們充分利用可再生能源，以達到顯著減少二氧化碳排放的氣候目標呢？NREL新能源系統集成中心的研究人員從研究風能和太陽能發電能否相互補償開始。例如，夜晚增強的風力在多大程度上可以彌補陽光的缺失？他們也在研究如何把預報與智能洗碗機、熱水器、太陽能電池板逆變器、水處理廠和電動汽車充電器整合起來，不僅要適應風的變化，還要渡過不可避免的無風時期和持續數週的多雲天氣，且無需求助化石燃料。
以電動汽車為例。一輛車儲存的電足夠任何地方的房子使用半天到數天，取決於電池組的大小。它具有先進的電力電子技術，可以定時充電並調節充電速度，這可以提供一種幫助波動的風電與用電需求相匹配的方法。只需一些小的改動，汽車的電池就可以把存儲的電力輸送給家庭和電網。現在電動汽車還不多，但在可再生能源在電力供應中所佔比例超過30％或40％（現在的風能佔4％，太陽能不足1％）之前還有幾十年的時間，這樣的狀況很容易改變。
在NREL，研究者可以把30輛電動汽車插入充電裝置，讓它們接入運行在一台超級計算機上的電網模擬，來預測如果有數千輛汽車連接到電網上時會發生什麼。他們的想法是，讓電動汽車儲存來自太陽能電池板的電力，並在晚上的電力需求高峰時段用它為街區供電，然後在凌晨利用風電為電池充電。
NCAR正在研發的那類預報將是“絕對關鍵的”，NREL的高級研究工程師布里-馬蒂亞斯·霍奇（Bri-Mathias Hodge）說。它們會幫助確定汽車電池應該在什麼時候充電，以最大限度地提高它們能提供給電網的電力，同時不給駕駛者帶來電力不足的問題。
甚至在這一切成為現實之前，來自NCAR的預報就已經在發揮巨大的影響了。去年，在一個電力需求較低，刮著大風的周末，Xcel公司創下了一個紀錄：一小時內，它為科羅拉多州提供的電力有60%來自風電。“在幾年前，這樣的風電穿透率會讓調度員心髒病發作，”在Xcel公司負責可再生能源集成的德雷克·巴特利特（Drake Bartlett）說。他指出，過去他們不知道來自風電的電力是否會突然完全消失。“現在我們就能從容處理這種狀況了，”他說。“而這個紀錄將會被打破。”
資料來源:MIT
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