在全球推进《巴黎协定》气候目标的大背景下，风能和太阳能作为取代传统化石燃料的关键可再生能源，其在电力系统中的稳定性和可靠性日益受到重视。随着这些可再生能源在全球电力供应中所占比重的提高，如何有效应对由气候变化引起的电力供需不平衡问题，成为了一个亟待解决的挑战。研究显示，太阳能和风能发电量的波动性较大，易受气候因素影响，可能导致长时间的电力供应不足，例如德国的“黑暗低谷”事件便是一个典型例子。此类事件凸显了在极端气候条件下，电力系统可能面临的连续数小时至数周的供电短缺问题。为了全面评估和应对这些挑战，系统地研究了自1980年以来全球178个国家风能和太阳能系统中定义的两类极端电力短缺事件：极端长持续时间事件和极端低可靠性事件。通过分析这些事件的频率、持续时间和强度，探索了它们的趋势、相互关系及其背后的潜在驱动因素。此外，本研究还考虑了不同国家和地区的风能与太阳能发电比例，以及可能的电力短缺情况，以评估未来电力系统的稳定性和可靠性。本研究利用了1980-2022年的每小时气候再分析数据，结合预计的装机容量和优化的发电比例，估算了风能和太阳能系统可能的每小时电力供应。研究结果不仅揭示了全球范围内极端电力短缺事件的发生频率和强度，还通过与气候变量的关联分析，提供了对未来电力系统设计和政策制定的重要参考。此外，通过敏感性测试，进一步验证了研究结果的稳健性，为全球不断变化的气候条件下的能源安全提供了科学依据。
图1. 20世纪80年代以来极端长时事件的年际变率。1980 年以来极端长持续时间事件的频率(a)、持续时间(b)和强度(c)的年际变化。在调查的43年中，极端长持续时间事件的年平均频率(d)、持续时间(e)和强度(f)的等级排序，其中 1980 年至 2000 年之间的年份用黑色标注，2001 年至 2022 年之间的年份用红色标注。
图2. 所调查的178个国家在1980-2000年和2001-2022年期间的长期极端事件分布图。1980-2000年期间极端长持续时间事件的年平均频率(a)、持续时间(b)和强度(c)。2001-2022年期间极端长持续时间事件的年平均频率(d)、持续时间(e)和强度(f)。1980-2000年和2001-2022年期间极端长时间持续事件的年平均频率(g)、持续时间(h)和强度(i)的变化。
图3. 1980年以来极端低可靠性事件的变化。1980-2000年和2001-2022年间极端低可靠度事件的年平均频率(a)、持续时间(b)和强度(c)的变化。(d)1980-2000 年和 2001-2022 年间 42 个主要国家极端低可靠度事件的变化。
图4. 全国范围内持续时间长和可靠性低的极端事件的变化关系。1980-2000年和2001-2022年间42个主要国家发生极端长持续时间和低可靠性事件的频率（a）、持续时间（b）和强度（c）的变化。
图5. 极低风速和太阳辐射下极端电力短缺事件的变化。42个主要国家极端缺电事件的频率(a)、持续时间(b)和强度(c)异常与极低太阳辐射和风机轮毂高度风速年小时异常的关系。d 1980—2000年和2001—2022年年平均风速和平均太阳辐射变化与复合极低风速和太阳辐射事件年小时变化的关系。e 1980-2000年和2001-2022年复合极低风速和太阳辐射事件年小时数相对变化与极缺电事件相对变化的关系。
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参考文献
Zheng, D., Tong, D., Davis, S.J. et al. Climate change impacts on the extreme power shortage events of wind-solar supply systems worldwide during 1980–2022. Nat Commun 15, 5225 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48966-y
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