最初发表在《 Handleman Post》上。作者：Clayton Handleman
美国国家可再生能源实验室（NREL）最近发布的数据显示，风能的容量因子（CF）可以达到65％，与化石燃料发电的因子相当。尽管头条新闻没有特斯拉的“荒唐模式”那么性感，但气候变化带来的变革性影响使埃隆·马斯克的最新成就相形见war。增大发电机的CF值可以通过多种方式增加其价值，包括：降低能源成本，提高传输线利用率，并经常通过在需求高峰时提供更多电力来减轻电网压力。在可再生能源普及率很高的情况下，这也可能会减少管理电网所需的存储量和天然气量。隐含地，NREL的新报告将风定位为在美国占主导地位，并且有可能成为主要的电力来源。
图1：该图显示了美国地区具有不同风能技术的各种总容量因子。左侧的曲线显示了历史数据，中间的（红色）曲线显示了最新型涡轮机的数据，蓝色显示了“不久的将来”涡轮机的预期性能。
CF是一年内发电机平均功率输出与其铭牌额定值之比。如果CF为100％，则表明它始终处于打开状态并以其满额额定功率运行。简而言之，更高的容量系数意味着给定尺寸的发电机一年将产生更多的能源。CF设置发电机运行时间的下限。如果发电机并非始终以其铭牌上的全部额定值运行，那么它将在一段时间内产生超过其CF值的功率。*
隐含地，NREL的新报告将风定位为在美国占主导地位，并且有可能成为主要的电力来源。
NREL几乎没有大张旗鼓地发布更新的数据，该数据显示，使用当前技术，风力涡轮机可以在55％的CF下产生足够多的能量来为整个美国供电。然而，真正的震惊是，在不久的将来，涡轮技术（140 m塔）可以将其提高到65％CF。当前全国平均风速CF（第34页）约为33％，几乎翻了一番。根据NREL使用当前技术并将其放置在黄金地段，风能CF已经可以超过天然气。使用“不久的将来”技术，风力发电的CF将超过近年来在全国范围内实现的煤炭（61％）和天然气（48％）的CF。
以能源为基础，考虑到CF，有足够的土地适合安装65％CF涡轮机，以满足该国的电能需求。根据NREL的新数据，第1页显示了我们对风能潜力的理解正在迅速发展。涡轮技术的进步导致更高的涡轮可以在更高的高度获得更稳定，更高的平均速度风。使用p 1和这项研究的数据，人们发现有足够的土地来放置1.5 TW容量和65％CF的涡轮机。CF为55％时，有足够的土地和足够的资源来定位约3倍（约4.5 TW）的土地。从角度来看，2012年美国平均发电量不到0.5 TW。即使具有更高的CF，风电也不可分发，因此不会消除对其他来源的需求。但是，它可以大大减少化石燃料发电的百分比。
煤炭和天然气是目前该国的主要发电来源。根据EIA的资料，2014年，燃煤发电厂的发电量占全国的39％，天然气排在第二位，占27％。一些著名的作者认为，当前的经济学（不考虑负荷转移）对可再生能源渗透的上限设定了等于其容量因子的上限。该标准为风电对国家电力供应的贡献设定了上限，即占总数的65％。但是，在短期内，限制因素可能是技术因素。由美国能源部（DOE）资助的一项研究表明，如果通过商业上的改进来加强电网，则该电网可以忍受约55％的风和太阳能，总风能提高到61％。使用当今可用的度量标准和技术，风成为美国最大能源的唯一障碍就是输电能力。
输电线路利用
最佳的风能资源是大平原地区（GPR），但最大的负荷是在沿海地区。在很大程度上，低CF风电的经济性要求，它必须相对靠近现有的输电线路建造，而不是建造新的线路，因此，迄今为止，该国最好的风力发电场中只有一小部分得到开发。为了从源头获得负载的电力，将需要扩展输电网络。这将包括添加专用传输线。在过去，有人争辩说这些生产线将被利用不足，因此按每兆瓦时美元计的成本较高。高CF风通过使用更高百分比的可用容量来改善专用传输线的总体经济性。
在高CF的情况下，风能成本对传输功率的改善与CF的改善大致成比例，因此，将容量因子加倍会使传输线利用率提高一倍。反过来，这将单位能量传输的成本降低了一半。GPR往往具有最低的人口密度。毫不奇怪，由于居民所需的电力很少，因此几乎没有传输通道。
开发高CF站点将需要新的输电线路，这些输电线路能够长距离运输大量电力和/或连接到较大的现有输电资产。过去，人们对由于利用率不足而建造输电线路表示担忧。现在，较高的CF风将风提高到与传统来源相比可达到的传输线利用率水平。从角度来看，在风能发电率为65％的情况下，它将利用约65％的输电资产，而传统上，输电基础设施的利用率约为60％。
锦上添花，已经在进行一些传输线升级活动。在得克萨斯州尤其如此，得克萨斯州已经提高了输电能力，专门用于扩大其风力发电的使用。新数据表明，随着近期涡轮机的商业化，这些变速箱项目的经济效益将比最初计划的要好。
经济学
请记住，CF是涡轮的平均发电量乘以其铭牌额定值而得出的比率，在所有其他条件相等的情况下，如果发电机以高容量系数运行，则经济效益会提高。例如，一台容量为33％的3兆瓦风力涡轮机，每兆瓦时电费收取30美元，将产生约260,000美元的年收入。以65％的容量系数运行的同一台涡轮机将产生512,000美元。或者，它可以收取15.5美元/兆瓦时的费用，最终获得与33％CF单位相同的利润，从而使其更具竞争力。如果具备传输能力，则GPR中的风能经济性已经相当不错。转向“不久的将来”的涡轮机可能会进一步改善这些经济性。
图2：按PPA执行日期和地区对风电PPA价格进行平均化。内部区域显示为紫色圆圈。
图2显示，该地区最近的电力购买协议（PPA）的价格低于$ 30 / MWhr。行业趋势是更大的涡轮机和更低的成本。实际情况是，由于将涡轮机送至现场的运输挑战，陆基涡轮机的尺寸已停滞在约3 MW。“不久的将来”涡轮机的一个方面是，它们旨在解决运输问题。NREL显然看到了足够的希望和进步，将所需的技术称为“不久的将来”。毫无疑问，欧洲成功实现了140m毂高涡轮机的商业化，这增强了他们的信心。
容量信用增加
容量信用（CC）是公用事业用来衡量发电机的间歇性及其在需求高峰时提供电力的能力（或无能力）的度量。**CC主题（通常通过确定电力承载能力（ELCC）找到）在公用事业规划和发电资产评估中非常重要。在此进行详细讨论。它与发电机额定容量的一小部分有关，在最需要时，公用事业公司可以依靠它。计算它的最佳方法不仅着眼于全年的发电机可用性CF，而且还取决于该可用性与电网高峰需求的相关性。这是一项复杂的业务，最好使用真实数据来完成。但是，在没有实际数据的情况下，公用事业公司会使用分析技术来开始计划，然后在生成在线后使用数据对CC进行校正。
值得考虑的是，如果发电量的增加恰好在电网最需要电力的时候出现，那么，今天的CC值增加额可能超过100％。反过来，这将增加风能的价值以及电网可以轻松适应的渗透程度。在南部GPR，例如TX，OK和KS，夜间风不达标，风势往往更大。但是，更高的涡轮机的好处之一是它们到达了风速较稳定的区域。这将倾向于增加白天的风速，这对CC的贡献要大于夜间的增加。说完所有步骤后，将需要实际数据来确定CC的增加程度。但是，极有可能会大幅增加风能，并且会增加可以有效和经济地添加到系统中的风量。
概要
NREL的新CF数据极大地改变了美国实施能源政策的方式。诸如EWITS之类的较早研究现在已过时。他们使用了与p 1中的黑线相似的数字，而忽略了电动汽车的存储和负载转移潜力。在这些研究中，检查了高达30％的风渗透率，并认为合理可行。使用容量系数为65％的p 1中的蓝线表示，与以前预期的相比，可以以更低的成本实现更高（可能更高）的渗透。可以分配给该资源的容量信用将大大有助于确定新数据的后果是演化的还是革命性的。但是，新的NREL数据，无论是进化的还是革命性的，都大大增强了在美国能源组合中提高风电膨胀率的理由。
作者注意：尽管本文涵盖了GPR中的非凡机遇，但新的涡轮机技术还在不适合风能开发的地区开辟了机遇。在此处查看更多详细信息。
脚注：
*实际上，间歇性可再生能源很少以其铭牌上的完整额定值运行。这意味着它们运行的时间百分比大于额定容量因子（CF）。为了说明这一点，让我们考虑以50％容量系数运行的发电机的两个不同示例：
情况1：发电机在全功率下运行50％的时间，其余时间不产生任何电能。
情况2发电机始终以额定功率的50％运行，并且永不关闭。在情况1中，发电机运行的时间百分比等于容量因子。在情况2中，发电机运行的时间百分比是容量因子的两倍。
**让我们在上面有关CF *的讨论中进行扩展，以深入了解什么是容量信用（CC），以及它们在公用事业规划中的作用。CC是公用事业用来评估发电资产以确保电网可靠性的重要工具。宽松地说，CC是一种以一种指标评估发电机的间歇性，可调度性和可靠性的方法。为了说明这一点，我们从上方看案例1和2，但是将案例1分为两个子案例。在情况1a中，发电机接通的时间与公用事业的高峰需求时间完全对应；在情况1b中，发电机接通的时间与高峰需求的时间完全不一致。
情况1a：发电机在全功率下运行50％的时间，其余时间不产生任何电能。发电机的运行时间与电网上所有峰值需求时段一致。该生成器将收到可能高于100％的大量CC。
情况1b：发电机在全功率下运行50％的时间，其余时间不产生任何电能。发电机产生功率的时间要求低。该生成器可能收到的CC为0。
情况2：发电机始终以额定功率的50％运行，并且永远不会关闭。该发电机在需求高峰时可靠地发电，但仅为发电机额定功率的1/2。它可能会获得中档CC。
关于作者：克莱顿（Clayton）创立了Heliotronics，Inc.，开发教育产品，将实时可再生能源数据整合到课程中，以教授有关科学，技术，工程和数学（STEM）的知识–请访问www.solarlearninglab.com
他的早期工作包括太阳能逆变器设计，相关的项目管理和计划管理，以开发和集成数据采集系统，Web平台和相关的教育软件。他拥有与逆变器设计有关的两项专利。Handleman先生对经验曲线的预测能力特别感兴趣，并将其纳入有关宏观趋势的写作中。他撰写的论文展望了近十年，密切预测了PV何时会突破1.00美元/瓦的关口。
在从事可再生能源工作之前，他在麻省理工学院林肯实验室从事国防研究和开发。他拥有学士学位华盛顿大学物理学硕士和数学辅修学位普渡大学的物理学。
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