新能源和可再生能源發(fā)電概述

馮耀勛，王顯龍，鄭曉峰，賈明生

（1.廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640）

能源是人類社會存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，電力能源因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)勢，已經(jīng)成為了當(dāng)今社會人類生產(chǎn)、生活的不可或缺的元素。為了更好的生產(chǎn)、使用能源，國家頒布實(shí)行了《中華人民共和國節(jié)約能源法》，頒布了《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》等一系列相關(guān)規(guī)劃，期望提高新能源和可再生能源的利用，推動(dòng)全社會節(jié)約能源，保護(hù)和改善環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展[1]。

現(xiàn)階段國內(nèi)外最普及、最成熟的方式是火力發(fā)電，核電、水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電和太陽能發(fā)電等新能源和可再生能源發(fā)電，則被視為未來發(fā)電結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)發(fā)展對象，其特點(diǎn)和投資都有很大區(qū)別，了解這些，可以幫助我們更好地開發(fā)和利用他們。

1 火力發(fā)電

現(xiàn)在世界上大部分國家，都是以火力發(fā)電為主。在我國，在2007年的電力結(jié)構(gòu)中，火力發(fā)電占據(jù)的比例高達(dá)近83%，基本全部為煤炭發(fā)電。圖1 是中國近年來的電力結(jié)構(gòu)比重圖[2]。

圖1 1990~2008年中國電力結(jié)構(gòu)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，每年都會有燃煤電站開工建設(shè)。其中，投資成本低并具有節(jié)水、節(jié)能、節(jié)地、節(jié)材、環(huán)保等特點(diǎn)的超臨界、超超臨界機(jī)組，是主要發(fā)展趨勢。對比30 萬kW 亞臨界燃煤機(jī)組的平均4 400 元/kW 的建設(shè)成本，100 萬kW 超超臨界燃煤機(jī)組約3 600～3 700 元/kW 的建設(shè)成本降低，而發(fā)電效率相對提高。

例如，國內(nèi)第一個(gè)采用自主知識產(chǎn)權(quán)研發(fā)、制造的60 萬kW 超臨界燃煤鍋爐的發(fā)電項(xiàng)目2008年在河南順利投產(chǎn)，其總投資約42.9 億元；在2009年投資73 億元，陜北建設(shè)裝機(jī)為2×100 萬kW 超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。

2 可再生能源發(fā)電

為了增加能源供應(yīng)，改善能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，我國在2006年1月1日開始施行《中華人民共和國可再生能源法》，以促進(jìn)可再生能源的開發(fā)利用。按照此法的定義，我國的可再生能源是指風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿确腔茉础?/p>

2007年，國家發(fā)改委制定頒布了《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，提出了力爭在2010年使可再生能源消費(fèi)量，達(dá)到能源消費(fèi)總量的10%，到2020年達(dá)到15%的目標(biāo)。

2.1 水力發(fā)電

在可再生能源利用結(jié)構(gòu)中，水力發(fā)電是目前世界上最成熟、使用量最多的可再生能源發(fā)電技術(shù)。我國水能資源蘊(yùn)藏量和可開發(fā)水能資源，居世界第一位，但其開發(fā)程度僅僅在20%左右。現(xiàn)在發(fā)達(dá)國家的水電開發(fā)度一般達(dá)到60 %～70 %，例如，挪威超過90%，日本為84%，美國超過82%，法國、瑞士等亦已超過80%，德國為73%，加拿大65%[3]。

近年來，我國水電發(fā)電總量，隨著用電總量的增加，也逐年提高，對于水電站的重視程度和投資力度，也逐年加大。水電站的建設(shè)成本與當(dāng)?shù)氐牡乩怼⒌刭|(zhì)條件、人口分布等因素關(guān)聯(lián)較大，因此不同地方的水電站建設(shè)成本差別很大。例如，2008年12月開工的云南益珠河電站總裝機(jī)容量為8 000 千瓦，預(yù)算總投資人民幣4 200 萬元左右；世界上最大的水電站項(xiàng)目，長江三峽水電站，最初設(shè)計(jì)為1 820 萬kW 裝機(jī)容量（不包括現(xiàn)在設(shè)計(jì)的地下420 萬kW 裝機(jī)容量），其動(dòng)態(tài)預(yù)算投資為2 039 億元，實(shí)際投資1 800 億元左右。

除了利用江、河直接發(fā)電，抽水蓄能電站也是一種發(fā)展?jié)摿艽蟮乃娬尽Ｃ绹?003年抽水蓄能電站消耗的電量達(dá)到近87 億kW·h。山東泰安建立的4臺25 萬kW，總計(jì)100 萬kW 裝機(jī)容量的抽水蓄能電站，投資43 億左右，對比煤電，其發(fā)電年收益多出10%以上[4]。

在我國，水力發(fā)電擁有以下主要特點(diǎn)和發(fā)展趨勢：

（1）技術(shù)成熟、穩(wěn)定，運(yùn)行成本低，效率高（對比煤電的40%，水電高達(dá)70%～80%）。

（2）資源總量豐富，但地域分布不均，用電多的中、東部比例小。

（3）與火力發(fā)電配合，水火互濟(jì)，調(diào)峰靈活。

（4）潔凈發(fā)電，多方綜合利用，多方得益。

（5）受自然條件限制大，大型工程對環(huán)境、生態(tài)影響較大。

（6）對比火力發(fā)電站，一次性投資大，工期長，平均投資成本和配套建設(shè)差別大。

（7）大型工程具有戰(zhàn)略地位，事故后果嚴(yán)重。

（8）對比發(fā)達(dá)國家，我國水電發(fā)展迅猛，但是整體開發(fā)率較低，發(fā)展空間大。

2.2 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)電作為節(jié)能、安全、環(huán)保和可再生的清潔能源，已經(jīng)成為全球最具潛力能源之一，受到世界各國的關(guān)注。而到2006年底，全球風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)從1995年的4 800 MW 增加到73 904 MW，到2009年，全世界總風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量，達(dá)到158 000 MW。

許多國家制定了長期的目標(biāo)，支持發(fā)展風(fēng)力發(fā)電。美國計(jì)劃到2030年，其風(fēng)電裝機(jī)比例達(dá)到20%，而現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電比例最大的國家丹麥，也計(jì)劃將風(fēng)電占電力用量的比例由現(xiàn)在的20 %增加到2025年的50%[5]。

近年來，國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展迅猛。2006年、2007年和2008年，中國累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)增長率分別為105 %、127%和106.5%。2009年，中國新增1.3 萬MW 裝機(jī)容量，這在世界上也是一個(gè)國家首次在一年內(nèi)，新增裝機(jī)容量超過1 萬MW。風(fēng)電建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可模塊化加工和運(yùn)行，投資成本相近。內(nèi)蒙古開魯縣開工建設(shè)規(guī)模將達(dá)到50 萬kW，總投資達(dá)50 億元。

隨著政府、民眾對于可再生能源的重視，眾多企業(yè)對投資風(fēng)電項(xiàng)目看好并積極行動(dòng)，這在帶動(dòng)風(fēng)電裝機(jī)容量大幅度增加的同時(shí)，也導(dǎo)致了眾多企業(yè)的無序競爭、一哄而上、重復(fù)或違規(guī)建設(shè)、圈地占地現(xiàn)象，在浪費(fèi)了資源的同時(shí)，對于環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都帶來了不利影響。因此近期國家和地方政府，都加大了對風(fēng)電站項(xiàng)目的規(guī)范化管理。

現(xiàn)階段風(fēng)電有以下的特點(diǎn)和趨勢[6]：

（1）無污染的可再生能源，技術(shù)比較成熟，應(yīng)用時(shí)間較長。

（2）分布廣泛，總量巨大，建設(shè)周期短。

（3）小型設(shè)備簡單，相對造價(jià)低，對于偏遠(yuǎn)地區(qū)、地廣人稀地區(qū)應(yīng)用價(jià)值大。

（4）具有長期規(guī)律性和短期隨機(jī)不可控性，必須與其他形式的能源相互配合，或具有某種蓄能裝置，增加了技術(shù)的復(fù)雜性。

（5）能量密度低，裝置龐大，設(shè)備分散，占地廣，場地要求較高。

（6）對比火力發(fā)電站，建設(shè)費(fèi)用高。

（7）國家政策鼓勵(lì)，大容量發(fā)電基地發(fā)展突出。

2.3 太陽能發(fā)電

太陽能被稱為“能源之母”，化石能源、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能等，都是由太陽能經(jīng)過某種形式轉(zhuǎn)換而形成的?，F(xiàn)在使用太陽能發(fā)電，包括兩種類型：一種是通過光電轉(zhuǎn)換元件直接發(fā)電，另外一種是通過太陽能聚光集熱系統(tǒng)獲得能量輸入，然后轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽或者氣體，從而驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)或者發(fā)電機(jī)發(fā)電。對于這兩種形式的太陽能發(fā)電，現(xiàn)在國內(nèi)外的發(fā)展都非常迅速，裝機(jī)比例也提高很快[7]。

太陽能發(fā)電屬于無污染的可再生能源發(fā)電，其建設(shè)周期短，但是受地域、氣候、天氣影響大，整體發(fā)電效率較低（一般為10%～20%之間）。

按照2007年8月頒布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中的目標(biāo)，我國到2020年太陽能發(fā)電達(dá)到180 萬kW 容量，其中在2010年達(dá)到30 萬kW 的目標(biāo)。

2.3.1 太陽能光伏發(fā)電

近年來，隨著太陽能技術(shù)和材料行業(yè)的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電的材料成本不斷下降，使得裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大。例如，在2006 到2008年這3年時(shí)間里，國內(nèi)的安裝量僅為5 萬kW，而隨著多晶硅材料價(jià)格的迅速降低，現(xiàn)在有報(bào)道預(yù)測，2020年中國的太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到1 000 萬kW 到2 000 萬kW 之間，是最初規(guī)劃目標(biāo)的6 倍以上。

太陽能光伏發(fā)電，具有如下主要特點(diǎn)：

（1）可以大規(guī)模集中供電，也可以以家庭、產(chǎn)品為單位供電，模塊化生產(chǎn)、安裝。

（2）發(fā)電設(shè)備極為精煉，可靠穩(wěn)定壽命長，安裝維護(hù)簡便。

（3）在人口密度稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)，或者宇宙探險(xiǎn)等方面，可以發(fā)揮重要作用。

（4）建設(shè)成本和發(fā)電成本遠(yuǎn)高于火電站，對比水電、風(fēng)電，現(xiàn)在安裝規(guī)模非常小。

（5）日常應(yīng)用發(fā)展迅速，如太陽能充電器、太陽能路燈和太陽能草坪燈等。

（6）近期原材料成本大幅度降低，導(dǎo)致光伏發(fā)電的成本大規(guī)模降低，但是其投資成本仍然高于火電、水電、風(fēng)電等。

2.3.2 太陽能熱發(fā)電

而對于太陽能熱發(fā)電，大體可以分為塔式、槽式和蝶式這3 種形式。按照計(jì)算，在撒哈拉大沙漠1%的面積上，建立太陽能熱發(fā)電廠，就可以足夠滿足整個(gè)世界的電力要求。

現(xiàn)在大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行的，是槽式熱發(fā)電，在20年前，美國建立了大規(guī)模的發(fā)電基地，至今仍在使用。

如今，美國和西班牙的太陽能熱發(fā)電發(fā)展最快，這兩個(gè)國家都有槽式熱發(fā)電站投入使用并繼續(xù)大規(guī)模推廣，預(yù)期到2012年的兩國的裝機(jī)總?cè)萘浚_(dá)到560 萬kW，在預(yù)測的640 萬kW 的世界總裝機(jī)容量中，占據(jù)絕大部分。

現(xiàn)在太陽能槽式熱發(fā)電的成本，已經(jīng)降到0.12 美元/kW·h，美國能源部打算到2015年降低聚光太陽能熱發(fā)電廠的成本到0.07～0.1 美元/kW·h，到2020年則到0.05～0.07 美元/kW·h，從而可以和以化石為燃料的發(fā)電站競爭。

現(xiàn)在太陽能熱發(fā)電的建設(shè)成本，仍然較高。以槽式熱發(fā)電為例，從1985年到1991年間，美國在加州沙漠建造了9 座太陽能槽式熱發(fā)電站，其建設(shè)成本從1 號電站的近6 000 美元降低到9 號電站的近3 000 美元。現(xiàn)在美國準(zhǔn)備建設(shè)的世界最大的槽式熱發(fā)電站，其裝機(jī)容量為34 萬kW，而其建設(shè)成本估計(jì)為20 億美元。因材料、人工等方面的優(yōu)勢，在國內(nèi)建設(shè)太陽能熱發(fā)電的成本，要遠(yuǎn)低于美國。

現(xiàn)在，中國科學(xué)院廣州能源研究所，正在建設(shè)槽式熱發(fā)電的試驗(yàn)臺，而在此試驗(yàn)臺上，廣州能源研究所的研究人員提出了新的結(jié)構(gòu)設(shè)想，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，可以將熱發(fā)電的建設(shè)成本控制在1 萬元/kW 左右，優(yōu)勢非常明顯。

太陽能熱發(fā)電的特點(diǎn)如下：

（1）現(xiàn)在大規(guī)模推廣使用的槽式熱發(fā)電，以集中模塊式大規(guī)模運(yùn)行為主。

（2）太陽能熱發(fā)電廠的峰值產(chǎn)出時(shí)間，與用電高峰時(shí)段一致，可作為基本負(fù)荷或者間歇發(fā)電的選擇；同時(shí)太陽光照射一般也是可以預(yù)測和可靠的。

（3）太陽能電廠是可以完全以標(biāo)準(zhǔn)模塊和日常材料建成，具有大約30～40年的使用壽命。而且大部分太陽能區(qū)域材料，是可以循環(huán)利用的。

（4）太陽能熱發(fā)電廠最好位置是陸地，可在很少被利用到區(qū)域，例如沙漠等地。

（5）太陽能熱發(fā)電廠可以設(shè)計(jì)為單獨(dú)一種太陽能或者混合能源運(yùn)行，例如風(fēng)能可以在峰值時(shí)段使用太陽能發(fā)電。

（6）熱發(fā)電的核心部件，掌握在發(fā)達(dá)國家，例如蝶式熱發(fā)電使用的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，槽式熱發(fā)電的真空管接收器等。

3 核電

核能雖然不屬于可再生能源，但是也屬于清潔能源，是一種國家鼓勵(lì)的新能源發(fā)電形式。國家發(fā)改委在2007年10月頒布了《核電中長期發(fā)展規(guī)劃（2005-2020）》。

資料表明，全世界核電總裝機(jī)容量為3.69 億kW，分布在31個(gè)國家和地區(qū)。核電年發(fā)電量占世界發(fā)電總量的17%，核電發(fā)電量超過20%的國家和地區(qū)，也達(dá)到了16個(gè)。

而我國的核電發(fā)電量，在總發(fā)電量中占據(jù)的比重還不到2%，對比而言，其發(fā)展空間巨大，為此國家公布了2005-2020 核電發(fā)展目標(biāo)。

隨著國家對于核電的大力支持，《規(guī)劃》中的部分目標(biāo)，已經(jīng)提前實(shí)現(xiàn)，為此許多學(xué)者重新提出了核電跨越式發(fā)展的目標(biāo)：2020年中長期的核電發(fā)展目標(biāo)，調(diào)整到建成6 000 萬～7 000 萬kW，在建3 000 萬kW。

我國近幾年也有眾多核電項(xiàng)目上馬。2008年，廣東陽江核電站正式開工，其裝機(jī)容量為6 臺百萬kW級核電機(jī)組、總投資近700 億元人民幣。秦山核電二期擴(kuò)建工程2 臺60 萬kW 機(jī)組，總投資148 億元。

總結(jié)核電具有以下主要特點(diǎn)[8]：

（1）運(yùn)行費(fèi)用低，發(fā)電無污染。

（2）建造要求嚴(yán)格，安全標(biāo)準(zhǔn)高，安全性能好。

（3）能量密度高，受自然條件、地理位置限制小。

（4）國內(nèi)的鈾資源不豐富，國外的富鈾礦區(qū)被發(fā)達(dá)國家控制，特別是法國占有很大部分，其核電比例也是世界最高的。

（5）我國的火電、水電資源蘊(yùn)藏豐富地區(qū)與用電多地區(qū)脫節(jié)，核電可以有效彌補(bǔ)這方面的缺陷，節(jié)約電力運(yùn)輸消耗。

（6）核電站具有戰(zhàn)略地位，事故后果嚴(yán)重，操作、管理、燃料后續(xù)處理要求高。

（7）核電站建設(shè)以百萬千瓦機(jī)組為主，第三代新技術(shù)的消化吸收成為重點(diǎn)。

表1 是對上節(jié)介紹的幾種發(fā)電形式的成本對比。通過以上的特點(diǎn)分析和投資對比，希望在政府和企業(yè)個(gè)人對電力行業(yè)投資時(shí)，起到借鑒的作用，針對當(dāng)?shù)氐那闆r，有選擇地重點(diǎn)投資可再生能源發(fā)電，促進(jìn)社會的和諧和可持續(xù)發(fā)展。

表1 幾種不同類型發(fā)電的投資成本和發(fā)電效率比較

4 結(jié)束語

通過上面的分析可以看出，對新建電站，條件允許的情況下，優(yōu)先選擇水電發(fā)電，其次選擇風(fēng)電。從經(jīng)濟(jì)性分析，太陽能光伏發(fā)電材料加工成本過高，現(xiàn)階段大規(guī)模推廣的前景不是很樂觀。而核電方面，燃料、安全等方面限制較大。

從未來發(fā)展的前景來看，火電、水電、風(fēng)電、核電的成本和效率提高空間有限，而太陽能發(fā)電方面技術(shù)和成本改進(jìn)空間大，相信隨著科技的發(fā)展，太陽能發(fā)電在行業(yè)內(nèi)的比重將會越來越高。

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