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因分散型光伏發(fā)電系統(tǒng)的大量導(dǎo)入，出現(xiàn)了白天發(fā)電量超過用電量，但在傍晚太陽能發(fā)電停止時，電力需求卻急劇上升的現(xiàn)象。不久的將來填補這種巨大的供需缺口會變得困難——加利福尼亞州幾年前就開始有了這種擔(dān)憂。
高峰需求在傍晚至夜間
這種現(xiàn)象被稱為“鴨型曲線”。2013年至2020年間，加利福尼亞州的分時“實際電力需求”與“供給量”的曲線圖變化就呈現(xiàn)出這種現(xiàn)象（圖1）。這里的“供給量”是指電力公司的大規(guī)模集中型發(fā)電站供給的電力量；“實際電力需求”是指，整體用電量減去與消費者側(cè)的配電網(wǎng)并網(wǎng)的分散型光伏及風(fēng)力等發(fā)電量之后的電力需求。
圖1：加利福尼亞州的實際電力需求變化（出處：CaliforniaIn dependent System Operator）
表示電力需求的曲線圖原本是從早上至中午為緩慢上升的，形成從鴨子尾巴到背部那樣的曲線。但隨著分散型光伏發(fā)電的導(dǎo)入量增加，鴨子的背部曲線將變成腹部曲線。導(dǎo)入光伏發(fā)電等分散型發(fā)電后，家庭的電力需求由光伏電力就能滿足，從電力公司的購電量將減少。就是說，隨著分散型光伏發(fā)電的大量導(dǎo)入，白天的“實際電力需求”會大幅降低，這時就開始要擔(dān)心電力公司供給的電力過剩了。
教給鴨子飛翔的方法
問題之一是，光伏發(fā)電的輸出高峰與需求高峰不是一致的。在加利福尼亞州，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量在中午至下午2點期間是高峰。而需求高峰則出線下午更晚一些時候，為傍晚5點至晚上8點左右。就是說，供給和需求會有缺口。
另一個問題是，需求高峰急劇上升。雖然白天利用光伏發(fā)電將實際需求降到了最低水平，但在光伏發(fā)電不再輸出電力的傍晚，“真正”的電力需求高峰卻到來了。預(yù)計到2020年，將必須要在3個小時的短時間內(nèi)快速填補約13GW的需求。
因鴨型曲線現(xiàn)象，估計白天將不得不減少原本不是用來調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)電源的供給量，并且，為了填補比傍晚時更大的需求差，就可能需要作使火力發(fā)電設(shè)備等現(xiàn)有設(shè)備待機(jī)，以便進(jìn)行急劇提高輸出電力等控制。
鴨型曲線的問題是，白天電力公司的供給超過需求，和傍晚以后急劇上升的高峰需求要在短時間內(nèi)滿足。形象地說，就是教給肚子浮在水面上、為了呼吸而伸長脖子的鴨子“飛翔的方法”，使鴨子的身體伸展至水平線上。即縮小供需曲線的差距，減少變動（圖2）。
圖2：“教給鴨子飛翔方法”成為系統(tǒng)運行戰(zhàn)略（出處：Regulatory Assistance Project）
克服鴨型曲線的10個戰(zhàn)略
Regulatory Assistance Project（RAP）綜合了上述想法，以“教給鴨子飛翔方法”為題提出了報告。該團(tuán)體是由促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境長期可持續(xù)發(fā)展的政策及法規(guī)專家組成的特定非營利活動法人。作為使供需平衡的鴨型曲線改善對策，報告的作者JimLazer提出了10項戰(zhàn)略（圖3）。其中，除了利用蓄電池抑制光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出變動外，還有能為送配電網(wǎng)的穩(wěn)定作貢獻(xiàn)、節(jié)能和節(jié)電、需求響應(yīng)（DR）以及靈活利用水和熱的方法等。
圖3：在避免輸出抑制和穩(wěn)定供應(yīng)之間取得平衡的10項運行戰(zhàn)略
這里重要的是，為不抑制能對地球變暖對策和地區(qū)經(jīng)濟(jì)活性化等做出巨大貢獻(xiàn)的可再生能源的輸出，并在今后進(jìn)一步增加導(dǎo)入，而促進(jìn)白天光伏發(fā)電電力的使用。即，把以前鼓勵的夜間電力消費“轉(zhuǎn)移”到光伏發(fā)電量最大的白天，從而最大限度利用光伏電力，從而緩解傍晚開始出現(xiàn)的需求高峰。
Lazer指出，“雖然鴨型曲線的概念是在光伏發(fā)電導(dǎo)入量最大的加利福尼亞州誕生的，但其在光伏發(fā)電滲透率非常高的夏威夷州和德國已經(jīng)成為嚴(yán)重的問題”。進(jìn)而作為10項戰(zhàn)略政策中保持電力供需平衡最重要的政策，Lazer還提出了（4）系統(tǒng)并網(wǎng)型電熱水器、（5）冰蓄熱空調(diào)系統(tǒng)、（6）電費制度及（8）需求響應(yīng)（DR）計劃等四項對策。
利用“水”、“熱”、“冰”的節(jié)電和儲藏
通過控制水的使用方法，能為電力供求平衡做出巨大貢獻(xiàn)。據(jù)稱自來水局要消費全美總用電量的7％。自來水設(shè)施在抽水、蓄水、導(dǎo)水、凈水和送配水過程中要使用水泵，會消耗大量電力。在光伏發(fā)電高峰期有剩余電力時可利用水泵抽水及蓄水，在電力需求急劇上升的傍晚時段減少水泵的使用。抽水蓄能電站利用剩余電力，將下游水庫的水抽到上游的水庫中，在傍晚至夜間的用電需求高峰時用抽上來的水發(fā)電。水利局也可以這樣利用水來儲藏能源。
據(jù)稱目前全美使用著約4500萬臺電熱水器（圖4），且熱水器占一個家庭總用電量的9％。熱水器的使用集中在使用淋浴的早上和晚上。白天可利用光伏電力將水燒開存儲在儲水槽中，在之外的時段供應(yīng)熱水。這樣，就能利用熱水器儲藏能源。
夏威夷州的電熱水器滲透率為全美最高，達(dá)到60％。該州導(dǎo)入了利用光伏發(fā)電“蓄熱”，以削減高峰電力需求的試點計劃。根據(jù)Lazer的分析，熱水器年均消耗4522kWh電力。這相當(dāng)于約2.2kW的光伏發(fā)電設(shè)備的年發(fā)電量。這一數(shù)值乘以4500萬臺電熱水器的數(shù)量，理論上用電量將達(dá)到約100萬MW（100GW）。就是說，只要靈活利用電熱水器，就能吸收這么多的光伏發(fā)電裝機(jī)容量。
與電熱水器一樣，也可以利用冰蓄熱空調(diào)系統(tǒng)，使用白天的光伏電力緩和夜間的用電高峰：白天制造制冷用冰，避開用電高峰時的電力消費。Lazer認(rèn)為，利用電熱水器和冰蓄熱空調(diào)系統(tǒng)的能源儲藏要比蓄電池性價比更高。
將電力消費移到白天
日本以核電的運轉(zhuǎn)為前提，設(shè)定有“深夜優(yōu)惠”等資費方式，對夜間的過剩電力定價較低，而夏威夷州部分地區(qū)已經(jīng)出臺了與光伏發(fā)電高峰時相應(yīng)的“白天優(yōu)惠”措施。并且，為了緩和傍晚至夜間急劇上升的電力需求，還出現(xiàn)了通過將電力消費需求由傍晚移到其他時間，并改良電費制度和制定需求響應(yīng)（DR）計劃，以促進(jìn)消費者多用包含可再生能源在內(nèi)的新電源的動向。
順便一提，通過導(dǎo)入并實踐10項戰(zhàn)略得知，能將最高需求與最低需求的差由1800MW降至一半以下的660MW，負(fù)載率（LoadFactor）由73.6％上升至86.5％，能夠更加充分地利用電力設(shè)備的能力（圖5）。
原標(biāo)題:“鴨型曲線”改善法：以“水、熱、冰”吸收儲藏大量導(dǎo)入的光伏電力
高峰需求在傍晚至夜間
這種現(xiàn)象被稱為“鴨型曲線”。2013年至2020年間，加利福尼亞州的分時“實際電力需求”與“供給量”的曲線圖變化就呈現(xiàn)出這種現(xiàn)象（圖1）。這里的“供給量”是指電力公司的大規(guī)模集中型發(fā)電站供給的電力量；“實際電力需求”是指，整體用電量減去與消費者側(cè)的配電網(wǎng)并網(wǎng)的分散型光伏及風(fēng)力等發(fā)電量之后的電力需求。
圖1：加利福尼亞州的實際電力需求變化（出處：CaliforniaIn dependent System Operator）
表示電力需求的曲線圖原本是從早上至中午為緩慢上升的，形成從鴨子尾巴到背部那樣的曲線。但隨著分散型光伏發(fā)電的導(dǎo)入量增加，鴨子的背部曲線將變成腹部曲線。導(dǎo)入光伏發(fā)電等分散型發(fā)電后，家庭的電力需求由光伏電力就能滿足，從電力公司的購電量將減少。就是說，隨著分散型光伏發(fā)電的大量導(dǎo)入，白天的“實際電力需求”會大幅降低，這時就開始要擔(dān)心電力公司供給的電力過剩了。
教給鴨子飛翔的方法
問題之一是，光伏發(fā)電的輸出高峰與需求高峰不是一致的。在加利福尼亞州，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量在中午至下午2點期間是高峰。而需求高峰則出線下午更晚一些時候，為傍晚5點至晚上8點左右。就是說，供給和需求會有缺口。
另一個問題是，需求高峰急劇上升。雖然白天利用光伏發(fā)電將實際需求降到了最低水平，但在光伏發(fā)電不再輸出電力的傍晚，“真正”的電力需求高峰卻到來了。預(yù)計到2020年，將必須要在3個小時的短時間內(nèi)快速填補約13GW的需求。
因鴨型曲線現(xiàn)象，估計白天將不得不減少原本不是用來調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)電源的供給量，并且，為了填補比傍晚時更大的需求差，就可能需要作使火力發(fā)電設(shè)備等現(xiàn)有設(shè)備待機(jī)，以便進(jìn)行急劇提高輸出電力等控制。
鴨型曲線的問題是，白天電力公司的供給超過需求，和傍晚以后急劇上升的高峰需求要在短時間內(nèi)滿足。形象地說，就是教給肚子浮在水面上、為了呼吸而伸長脖子的鴨子“飛翔的方法”，使鴨子的身體伸展至水平線上。即縮小供需曲線的差距，減少變動（圖2）。
圖2：“教給鴨子飛翔方法”成為系統(tǒng)運行戰(zhàn)略（出處：Regulatory Assistance Project）
克服鴨型曲線的10個戰(zhàn)略
Regulatory Assistance Project（RAP）綜合了上述想法，以“教給鴨子飛翔方法”為題提出了報告。該團(tuán)體是由促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)及環(huán)境長期可持續(xù)發(fā)展的政策及法規(guī)專家組成的特定非營利活動法人。作為使供需平衡的鴨型曲線改善對策，報告的作者JimLazer提出了10項戰(zhàn)略（圖3）。其中，除了利用蓄電池抑制光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出變動外，還有能為送配電網(wǎng)的穩(wěn)定作貢獻(xiàn)、節(jié)能和節(jié)電、需求響應(yīng)（DR）以及靈活利用水和熱的方法等。
圖3：在避免輸出抑制和穩(wěn)定供應(yīng)之間取得平衡的10項運行戰(zhàn)略
這里重要的是，為不抑制能對地球變暖對策和地區(qū)經(jīng)濟(jì)活性化等做出巨大貢獻(xiàn)的可再生能源的輸出，并在今后進(jìn)一步增加導(dǎo)入，而促進(jìn)白天光伏發(fā)電電力的使用。即，把以前鼓勵的夜間電力消費“轉(zhuǎn)移”到光伏發(fā)電量最大的白天，從而最大限度利用光伏電力，從而緩解傍晚開始出現(xiàn)的需求高峰。
Lazer指出，“雖然鴨型曲線的概念是在光伏發(fā)電導(dǎo)入量最大的加利福尼亞州誕生的，但其在光伏發(fā)電滲透率非常高的夏威夷州和德國已經(jīng)成為嚴(yán)重的問題”。進(jìn)而作為10項戰(zhàn)略政策中保持電力供需平衡最重要的政策，Lazer還提出了（4）系統(tǒng)并網(wǎng)型電熱水器、（5）冰蓄熱空調(diào)系統(tǒng)、（6）電費制度及（8）需求響應(yīng)（DR）計劃等四項對策。
利用“水”、“熱”、“冰”的節(jié)電和儲藏
通過控制水的使用方法，能為電力供求平衡做出巨大貢獻(xiàn)。據(jù)稱自來水局要消費全美總用電量的7％。自來水設(shè)施在抽水、蓄水、導(dǎo)水、凈水和送配水過程中要使用水泵，會消耗大量電力。在光伏發(fā)電高峰期有剩余電力時可利用水泵抽水及蓄水，在電力需求急劇上升的傍晚時段減少水泵的使用。抽水蓄能電站利用剩余電力，將下游水庫的水抽到上游的水庫中，在傍晚至夜間的用電需求高峰時用抽上來的水發(fā)電。水利局也可以這樣利用水來儲藏能源。
據(jù)稱目前全美使用著約4500萬臺電熱水器（圖4），且熱水器占一個家庭總用電量的9％。熱水器的使用集中在使用淋浴的早上和晚上。白天可利用光伏電力將水燒開存儲在儲水槽中，在之外的時段供應(yīng)熱水。這樣，就能利用熱水器儲藏能源。
圖4：美國各地區(qū)的電熱水器導(dǎo)入率。夏威夷州的導(dǎo)入率為美國最高（出處：Regulatory Assistance Project）
夏威夷州的電熱水器滲透率為全美最高，達(dá)到60％。該州導(dǎo)入了利用光伏發(fā)電“蓄熱”，以削減高峰電力需求的試點計劃。根據(jù)Lazer的分析，熱水器年均消耗4522kWh電力。這相當(dāng)于約2.2kW的光伏發(fā)電設(shè)備的年發(fā)電量。這一數(shù)值乘以4500萬臺電熱水器的數(shù)量，理論上用電量將達(dá)到約100萬MW（100GW）。就是說，只要靈活利用電熱水器，就能吸收這么多的光伏發(fā)電裝機(jī)容量。
與電熱水器一樣，也可以利用冰蓄熱空調(diào)系統(tǒng)，使用白天的光伏電力緩和夜間的用電高峰：白天制造制冷用冰，避開用電高峰時的電力消費。Lazer認(rèn)為，利用電熱水器和冰蓄熱空調(diào)系統(tǒng)的能源儲藏要比蓄電池性價比更高。
將電力消費移到白天
日本以核電的運轉(zhuǎn)為前提，設(shè)定有“深夜優(yōu)惠”等資費方式，對夜間的過剩電力定價較低，而夏威夷州部分地區(qū)已經(jīng)出臺了與光伏發(fā)電高峰時相應(yīng)的“白天優(yōu)惠”措施。并且，為了緩和傍晚至夜間急劇上升的電力需求，還出現(xiàn)了通過將電力消費需求由傍晚移到其他時間，并改良電費制度和制定需求響應(yīng)（DR）計劃，以促進(jìn)消費者多用包含可再生能源在內(nèi)的新電源的動向。
順便一提，通過導(dǎo)入并實踐10項戰(zhàn)略得知，能將最高需求與最低需求的差由1800MW降至一半以下的660MW，負(fù)載率（LoadFactor）由73.6％上升至86.5％，能夠更加充分地利用電力設(shè)備的能力（圖5）。
圖5：上為導(dǎo)入戰(zhàn)略前的曲線（藍(lán)線：總需求，綠線：實際需求）。下為利用戰(zhàn)略使實際需求與采取戰(zhàn)略前的總需求達(dá)到相同水平時。綠線的實際需求接近平緩（出處：Regulatory Assistance Project）
原標(biāo)題:“鴨型曲線”改善法：以“水、熱、冰”吸收儲藏大量導(dǎo)入的光伏電力
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