论文|风光互补能源可在中国大陆多时间尺度上作为稳定电源

《能源》（Energy）（2024年10月刊，第305卷）发布孟阳阳等人的研究论文《风光互补能源可在中国大陆多时间尺度上作为稳定电源》。

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ntent="t">该研究发现：

1、从季节到小时尺度，风能和太阳能可以很好地互补。

2、风光互补发电比单一能源发电可提高15%–25%的可用性。

3、风光互补发电可保证白天持续的可再生能源供应。

4、调整风能和太阳能的比例可以增强它们的互补性。

ntent="t">论文摘要：

风能和太阳能的不稳定性阻碍了它们的并网。而风光互补发电可以缓解风能或太阳能的不稳定性。然而，对风能和太阳能互补方法和时间分布的研究仍然不足。该研究利用经过充分验证和使用的高分辨率再分析数据，探讨了中国大陆地区风能和太阳能在多个时间尺度上的互补性。

研究人员发现，从一个季度时长到小时尺度，风能和太阳能都具有很强的互补性。风光互补发电可使可再生能源的可用性提高15%–25%，并且可以在白天实现持续的可再生能源供应。此外，论文作者发现，可以通过调整风能和太阳能的比例来增强它们的互补强度。本研究强调，风光互补系统可以提供稳定的能源。在未来的应用中，应充分考虑风能和太阳能的互补部署。

风光互补发电已成为增强电力供应稳定性、缓解风能和太阳能电网压力、提高可再生能源渗透率的主要战略。深入认识风能和太阳能互补效应的时空分布是有效发挥其互补性的前提和基础。充分发挥风光互补优势可以显著提高电力系统稳定性，对确保可再生能源的安全高效利用具有关键作用。

论文指出，有一些研究已经利用相关性分析评估了不同国家的风能和太阳能的互补效应。这些分析表明，这些地区风能和太阳能的日相关系数和季节相关系数始终低于零，这表明风光的互补性很强。 

而风光互补的实际应用一直是学术界研究的重点。众多学者致力于优化综合能源系统中风能和太阳能的装机容量。而调整风能和太阳能的比例可以显著降低系统所需的储能容量，从而确保更稳定的电力供应。

多个研究结果表明，合理调整能源系统结构可大幅减少碳排放32.7%。而Grams等和Cai等人的研究提出，空间聚集的发电可以缓解风能在一周到一月尺度上的波动，使可用性提高约30%。在互补开发中，风能和太阳能比例的优化可以显著降低风能和太阳能的不稳定性，从而避免投资风险和资源浪费。然而，目前的研究主要集中在综合能源系统中风电和太阳能的优化配置，在资源禀赋不同的地区，风电和太阳能的最优装机比例是否会出现还不清楚。

目前，受风光固有的不稳定性的影响，中国风电和太阳能的渗透率仍然不够理想，出现弃风率高，资源利用效率远低于国际基准等问题，这对中国“碳中和”目标的实现构成了重大障碍。研究人员利用相关系数等指标观察到中国风能和太阳能之间存在显著的互补性。且这种互补性在小时到日尺度上最为明显，特别是在新疆和河西走廊等地区。但目前我国对风能、太阳能互补模式和时间分布规律的研究尚不足，且尚未确定中国大陆各区域最优风光互补比例。

该研究利用高空间和时间分辨率的原始气象数据（ERA-5）数据集，获取了中国大陆地区逐小时的风能密度和太阳辐射强度数据。利用互补性指标，首先量化了风光互补发电对风和光单独发电间歇性的降低，重点分析其在月和小时尺度上的表现。其次，利用稳定性改善因子量化风光互补发电相对于单一能源的平滑作用，并通过遍历法确定风电和太阳能的最优装机容量配比。 

原始气象数据（ERA-5）包括风速、太阳辐射和温度等数据，来源于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的公开数据：https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp。 

ntent="t">论文主要图表：

图1.本研究流程图。1为研究所用数据，2为分析过程，3为研究结果。

图 2 .风能和太阳能协同 (WSS) 指数 (WSS=WCS + SCW + WSB) 以及中国大陆七个感兴趣区域 (ROI) 的位置。SCW、WCS 和 WSB指数分别显示在图 3。

图3.中国大陆四个风电和太阳能互补指数。（a）风电补充太阳能，WCS。（b）太阳能补充风电，SCW。（c）风电和太阳能互补，WSB。（d）风电或太阳能均不互补，WSN。

图4.中国大陆7个ROIs（a–g）四个太阳能和风能互补指数（WCS，SCW，WSB，WSN）的月时间分布。黑线表示WSS指数，表示可用于风能或太阳能发电。图5 .中国大陆7个ROIs（a~g）的4个太阳和风能互补指数（WCS、SCW、WSB、WSN）的逐时分布。极坐标中的极轴代表一天中的小时数（0~24），极半径代表指数的大小（0~100%）。

图6 .稳定性改善系数（IFS）随七个ROI（如表1所列）的太阳能发电容量比例的变化以及它们的最佳太阳能发电容量比例（彩色点）的变化。

图7.中国大陆地区太阳能发电容量最优比例(a)及对应的最大稳定性改善系数(IFSMax)(b)。

论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.132294

来源：能源Energyhttps://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544224020681https://www.mendeley.com/catalogue/f8eeec7d-7879-322d-91aa-e0542e296bcb/CWEA

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