2024-07-11 13:15

拯救“超级电网”:利用太阳和风抵御加勒比飓风

ORNL的研究人员模拟了飓风云层如何影响太阳能发电,因为风暴沿着加勒比海和美国南部的10条可能的轨迹运行

研究人员开发了一种“超级电网”模型,用于在飓风期间维持加勒比海地区的电力供应,探索interco并网系统,以抵消太阳能减少的影响。该计划旨在提高能源可靠性和应对频繁风暴的能力。

当飓风威胁到热带海岸时,“超级电网”可以伸出援手。

加勒比群岛正开始减少进口昂贵的化石燃料,转而利用自己丰富的太阳能和风能发电。然而,频繁的飓风会阻碍太阳能发电。能源部橡树岭国家实验室的研究人员开发了一种综合建模方法,可以更好地预测当这些风暴云遮蔽太阳能电池板时发电量的下降。该团队探索了用超级电网弥补这些能量损失的方法,超级电网是一组连接在一起的电网,这样电力就可以在岛链上或大陆之间流动。

首席研究员罗德尼·伊蒂基(Rodney Itiki)说,这种基础设施规划对于保持加勒比地区12个岛屿国家以及美国属地波多黎各和美属维尔京群岛的公平电力供应至关重要。历史上服务不足的岛上居民不能轻易从每年袭击加勒比海的许多飓风的路径上撤离。飓风期间太阳能量的损失对波多黎各这样的岛屿来说可能变得越来越重要,波多黎各宣布了到2050年全部使用可再生能源的目标。

飓风期间的能源供应模型

Itiki的模型可以用来理解飓风云对任何电力系统的影响。在这项研究中,他和他在电网整合、可再生能源和先进计算方法方面的专家团队使用他的算法来探索不同的电网连接方法,并对每种方法如何影响电力的可用性进行建模。该模型分析了大型飓风在10到14天内移动10条可能路径时如何减少已知太阳能装置的电力。

“这是这项研究的主要贡献之一,因为当我们设计电力系统时,我们需要考虑所有可能的情况——最重要的是,考虑最坏的情况,”ORNL电力系统弹性小组的博士后研究助理Itiki说。

研究人员通过模拟来了解飓风期间,如果电网通过海底的高压电缆连接,电力的可用性。为了了解这些超级电网是否会平衡区域间的能源流动,研究小组模拟了四种不同的组合:一个独立的美国电网;一个独立的加勒比海超级电网将所有岛屿连接在一起;美国-加勒比超级电网;以及连接美国、加勒比岛屿和南美洲的超级电网。

最大的超级电网配置包括飓风走廊内的90个光伏电站,以及不受飓风影响的加利福尼亚和巴西等地的太阳能农场。该模型显示,在飓风云的遮蔽下,一些太阳能发电厂在两天内损失了高达88%的发电能力。

调查结果及未来发展方向

研究人员发现,美国-加勒比超级电网提高电力可靠性的效果最大。事实证明,独立的加勒比海超级电网帮助不大,部分原因是飓风轨迹通常与岛链一致。南美的增加并没有显著减少电力变化,因为该大陆的太阳能装置很少。然而,如果岛屿之间或与美国系统断开连接,它可以作为替代电力供应提供能源安全。

作为一名研究生,Itiki对英国和德国电网之间成功的海底连接很感兴趣。他研究了类似联系的潜在好处,直到2017年的一场自然灾害缩小了他的地理关注点。

“飓风玛丽亚袭击波多黎各后不久,我就开始考虑把波多黎各和佛罗里达州连接起来,”伊蒂基说。玛丽亚使一些波多黎各人断电近一年,这是美国历史上最长的停电。

Itiki的第一个重点是飓风期间的风能。他探索了美国-加勒比超级电网如何减少飓风破坏波多黎各风力涡轮机造成的电力衰退。在涡轮机技术的改进使它们更加强大之后,他研究了如何在加勒比海,美国和南美洲之间共享飓风风能的激增。

接下来,Itiki打算融合他的太阳能和风能算法,以确定超级电网如何在加勒比海和大陆广泛提高能源可靠性。例如,在美国发生重大天气事件时,加勒比海电网能否为美国提供补充电力?

这项研究对美国摆脱化石燃料的能源依赖以及可靠地整合可再生能源项目具有广泛的意义。“我不认为人们在规划光伏(太阳能)发电厂的时候会考虑到飓风的阴影,”伊蒂基说。“公用事业公司选择日照最多的地方,但他们也需要考虑飓风的正常轨迹。如果所有的发电厂都集中在佛罗里达州,飓风袭击那里,就会产生一个最大的电力谷。”

Itiki承认,铺设海底电缆的环境和经济可行性需要进一步的研究。但即使没有这些相互联系,Itiki的模型也提供了一个重要的新工具,可以估算极端天气下的太阳能,并规划传输系统进行补偿。公用事业公司可以利用该算法,利用电池或抽水蓄能水电等解决方案,为风暴期间的太阳能缺口做好准备。

参考文献:《飓风下拟建的美国-加勒比-南美超级电网的时空太阳能剖面估算方法》,作者:Rodney Itiki、Nils Stenvig、Teja Kuruganti和Silvio Giuseppe Di Santo, 2024年3月22日,《能源》。DOI: 10.3390 / en17071545

其他为该项目做出贡献的ORNL研究人员包括Nils Stenvig和Teja Kuruganti,以及巴西圣保罗大学的Silvio Giuseppe Di Santo和北卡罗来纳大学夏洛特分校的Madhav Manjrekar。这项研究为美国能源部电力办公室资助的北美能源弹性模型(NAERM)提供了信息。