清潔能源發(fā)電技術(shù)及市場現(xiàn)狀研究

李欣民

（華北電力大學(xué)，北京 102206）

清潔能源發(fā)電技術(shù)及市場現(xiàn)狀研究

李欣民

（華北電力大學(xué)，北京 102206）

隨著環(huán)境污染和能源緊缺的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，世界各地越來越重視清潔能源的發(fā)展，尤其風(fēng)電、光電、水電發(fā)展近幾年來十分迅速。主要從清潔能源發(fā)電技術(shù)特點和國內(nèi)外市場發(fā)展現(xiàn)狀2個角度，研究國內(nèi)外清潔能源發(fā)展動態(tài)，分別對風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、水力發(fā)電3種類別的清潔能源發(fā)電進(jìn)行總結(jié)與分析。

清潔能源；發(fā)電技術(shù)；發(fā)展現(xiàn)狀

隨著風(fēng)能、太陽能等發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，以新能源技術(shù)和信息技術(shù)的深入融合為特征的新型能源利用體系，即能源互聯(lián)網(wǎng)開始成為解決能源問題和環(huán)境問題的重要途徑之一。全球能源互聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)是“特高壓電網(wǎng)+智能電網(wǎng)+清潔能源”，其中加快清潔能源的發(fā)展與利用是其發(fā)展的根本。從世界范圍來看，近幾年，清潔能源尤其風(fēng)電、光電、水電發(fā)展迅速，帶動國內(nèi)新能源整體行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時期，越來越多的人們也將關(guān)注點轉(zhuǎn)向清潔能源發(fā)電市場。本文從清潔能源發(fā)電技術(shù)和市場現(xiàn)狀2個角度，通過對國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)的研究，分別對風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、水能發(fā)電3種清潔能源發(fā)電的國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)與分析。

1 風(fēng)能發(fā)電技術(shù)及市場現(xiàn)狀研究

1.1 風(fēng)力發(fā)電的特點

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由2部分組成，一是為發(fā)電提供原動力的風(fēng)力機(jī)，即風(fēng)輪機(jī)；二是將其轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機(jī)。槳葉在氣流作用下產(chǎn)生動力，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再通過發(fā)動機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力發(fā)電的效率與發(fā)電地點的風(fēng)速關(guān)系極大，明顯呈正比關(guān)系，有時候風(fēng)速增加1倍，輸出功率可以提高8倍。目前風(fēng)力發(fā)電分為2種方式，分別是離網(wǎng)型小型分散風(fēng)力發(fā)電裝置和并網(wǎng)型大型風(fēng)力發(fā)電裝置，前者功率小，風(fēng)速適應(yīng)范圍廣，適合家庭和邊遠(yuǎn)地區(qū)小型用電負(fù)荷，通常需要配置蓄電池；后者是風(fēng)力發(fā)電規(guī)?；玫闹饕绞剑畲蠊β室堰_(dá)到6 MW。

1.2 國內(nèi)風(fēng)電市場發(fā)展情況

我國風(fēng)能資源豐富，近幾年國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展極為迅速，尤其以內(nèi)蒙古、甘肅、新疆這些自然資源條件十分突出的地域為代表，發(fā)展居國內(nèi)前列。2015年，中國風(fēng)電裝機(jī)量再創(chuàng)新高，全國（除臺灣地區(qū)外）新增風(fēng)電機(jī)組16 740臺，新增裝機(jī)容量30.753 GW，同比增長32.6%；累計安裝風(fēng)電機(jī)組92 981臺，累計裝機(jī)容量145.362 GW，同比增長26.8%。由于西北風(fēng)能資源相較于其他地區(qū)豐富，因此在西北地區(qū)風(fēng)電總裝機(jī)容量在全國最大。我國海上風(fēng)電建設(shè)起步較晚但發(fā)展迅速，截止到2015年，海上風(fēng)電新增裝機(jī)100臺，容量達(dá)到360.5 MW，同比增長58.4%。其中，潮間帶裝機(jī)58臺，容量181.5 MW，占海上風(fēng)電新增裝機(jī)總量的50.35%；其余49.65%為近海項目，裝機(jī)42臺，容量179 MW。

近年來，全國風(fēng)電發(fā)電量快速增長，2014年，風(fēng)電發(fā)電量達(dá)到1 534億kWh，占全部發(fā)電量的2.8%，超過核電成為我國第三大電源。在2014年電源工程投資中，水電、風(fēng)電投資規(guī)模分別為960億元、993億元，清潔能源投資所占比重已經(jīng)超過70%，2014年，風(fēng)電投資規(guī)模首度超越火電（數(shù)據(jù)來源：《2015年中國可再生能源產(chǎn)業(yè)報告》）。

1.3 世界風(fēng)電市場發(fā)展情況

據(jù)初步統(tǒng)計，2015年世界新增裝機(jī)容量63.69GW，全世界的風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)435 GW，以每年16%～17%的速度增長，風(fēng)電總裝機(jī)容量前3位的國家分別是中國、美國、德國，2015年風(fēng)電裝機(jī)容量前10位的國家如表1所示。

表1 2015年風(fēng)電裝機(jī)容量前10位的國家

2015年，全球海上風(fēng)電取得長足發(fā)展，新增裝機(jī)容量接近3.4 GW，總裝機(jī)容量突破12 GW。其中，歐洲市場的發(fā)展最為迅速，新增總裝機(jī)容量中超過91%的裝機(jī)容量都普遍來源于歐洲市場。此外中國、日本和韓國等組成的亞洲市場承擔(dān)了其余9%中的絕大部分。中國是除歐洲以外最大的海上風(fēng)電市場，英國則是全球最大的海上風(fēng)電市場，超過全球總裝機(jī)容量的40%。英國海上風(fēng)電發(fā)展迅速的原因，一方面是因為英國四面臨海，擁有近11 500 km的海岸線，海上風(fēng)資源極為豐富，另一方面是由于英國工業(yè)基礎(chǔ)好，擁有較為完備的海上風(fēng)電供應(yīng)鏈體系，可以更好地配合和支撐英國海上風(fēng)電的發(fā)展。英國短期目標(biāo)為至2020年完成9 GW裝機(jī)容量，即每年最少要新增800 MW的裝機(jī)容量。

與陸上風(fēng)電相比，成本更高和吊裝復(fù)雜是海上風(fēng)電發(fā)展面臨的一大障礙，因此如何降低成本成為海上風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵。有研究表明，隨著技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計未來數(shù)年海上風(fēng)電成本會一直保持下降趨勢。

2 太陽能發(fā)電技術(shù)及市場現(xiàn)狀研究

2.1 太陽能發(fā)電技術(shù)特點

太陽能發(fā)電從技術(shù)上可分為2類，即太陽能光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為并網(wǎng)型和非并網(wǎng)型。就發(fā)電站而言，非并網(wǎng)型電站，主要用于偏遠(yuǎn)的缺電地區(qū)，需要蓄電池蓄電，使用極不經(jīng)濟(jì)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入公共電網(wǎng)。太陽能電池是太陽能光伏發(fā)電中最核心的組件之一，當(dāng)前應(yīng)用于商業(yè)電站的太陽能電池分為晶硅電池和薄膜電池。晶硅電池分為單晶硅和多晶硅電池，薄膜電池分為硅基薄膜電池、CdTe電池和CIGS電池。當(dāng)前商業(yè)應(yīng)用的薄膜電池轉(zhuǎn)化效率較低，硅基薄膜電池為5～8%，CdTe電池為11%，CIGS電池為10%。電池組件的布置方式分為固定式和追蹤式，目前國內(nèi)采用的大部分為固定式，國外（如西班牙）采用追蹤式的較多。根據(jù)追蹤式的型式不同，追蹤式與固定式相比年發(fā)電量提高15%～30%，但追蹤式投資成本高，且目前國內(nèi)還沒有運(yùn)行很可靠的追蹤設(shè)備。

光熱發(fā)電主要是利用太陽能，首先將其集聚，通過傳熱將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，然后通過熱力循環(huán)做功實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換。根據(jù)聚光方式的不同，光熱發(fā)電技術(shù)主要分為塔式、槽式、碟式和線性菲涅爾式。槽式和塔式光熱電站目前均已實現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行，而碟式及線性菲涅爾式則分別處于系統(tǒng)示范階段。光熱發(fā)電原理示意圖如圖1所示。表2為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電的對比分析。

圖1 光熱發(fā)電原理示意圖

表2 光伏發(fā)電和光熱發(fā)電的對比分析

2.2 國內(nèi)太陽能發(fā)電市場發(fā)展情況

截至2015年底，我國光伏發(fā)電累計裝機(jī)容量43.18 GW，成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國家。其中，光伏電站37.12 GW，分布式6.06 GW，年發(fā)電量392億kWh。2015年新增裝機(jī)容量15.13 GW，占全球新增裝機(jī)容量的1/4以上。

我國具有良好的太陽能利用條件。光熱發(fā)電裝機(jī)容量總潛力16 000 GW，接近目前全國發(fā)電裝機(jī)總量的2倍。但與成熟的光伏發(fā)電技術(shù)相比，我國光熱發(fā)電起步較晚，依然處于技術(shù)不斷創(chuàng)新與改進(jìn)的階段。截至2015年8月，國內(nèi)光熱發(fā)電累計裝機(jī)超過20 MW，包括中國科學(xué)院電工所在北京延慶的1 MW試驗項目、浙大中控10 MW項目以及華能和龍騰等項目。而且目前全國正在建設(shè)、規(guī)劃中和在開發(fā)的大型商業(yè)化光熱發(fā)電項目的數(shù)量已近40個左右，可以看到光熱發(fā)電在國內(nèi)已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展時期。在國內(nèi)已裝機(jī)的光熱發(fā)電系統(tǒng)中，除中控德令哈50 MW太陽能熱發(fā)電一期10 MW光熱發(fā)電項目順利并網(wǎng)發(fā)電外，其他項目均為示范試驗性質(zhì)的項目，并未達(dá)到并網(wǎng)發(fā)電的標(biāo)準(zhǔn)，所以光熱發(fā)電仍有很大的發(fā)展空間。

2.3 世界太陽能發(fā)電市場發(fā)展情況

根據(jù)國際能源署光伏電力系統(tǒng)項目（IEAPVPS）的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截止到2015年末，全球光伏累計裝機(jī)量已達(dá)227 GW，新增裝機(jī)容量超過50 GW，同比增長16.3%，2008年—2015年全球光伏新增裝機(jī)容量如圖2所示［數(shù)據(jù)來源：IEA（International Energy Agency-國際能源署）http：//www.iea.org/bookshop/728-Renewables_Information_2016］。其中中國、日本、美國、英國、印度成為新增裝機(jī)容量最多的前五大國家，2015年占全球新增裝機(jī)的80%。從光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模的角度也可以看出，近幾年世界光伏發(fā)展迅猛，2015年全球多晶硅產(chǎn)量持續(xù)上升，總產(chǎn)量達(dá)到近34萬t，同比增長12.6%；太陽能光伏組件產(chǎn)量約60 GW，同比增長15.4%。

圖2 2008年—2015年全球光伏新增裝機(jī)容量

對于光熱發(fā)電市場來說，從2004年起全球光熱發(fā)電市場近年來進(jìn)入高速發(fā)展期，特別是從2008年至2013年的5年期間，全球光熱發(fā)電裝機(jī)容量的年均增長率接近50%。從世界范圍來說，西班牙和美國的光熱發(fā)電最為迅速，2個國家裝機(jī)容量之和達(dá)到全球光熱總裝機(jī)容量的90%，其中，西班牙光熱發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)2 362 MW，占比48%；美國光熱發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到1 720 MW，占比37%。

3 水力發(fā)電技術(shù)及市場現(xiàn)狀研究

3.1 水力發(fā)電技術(shù)特點

水力發(fā)電是利用河流、湖泊等位于高處具有勢能的水流運(yùn)至低處，將其中的勢能利用水輪機(jī)轉(zhuǎn)換為動能，以水輪機(jī)作為原動力，推動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，再經(jīng)由變電、輸配電設(shè)備將電力送至用戶。按照水源的性質(zhì)，水電站分為常規(guī)水電站和抽水蓄能電站。常規(guī)水電站是最普遍的一種水電站，直接利用河流等日常發(fā)電，分枯水期和豐水期；而抽水蓄能電站是一種利用電力負(fù)荷低谷時抽水至上游水庫，在電力負(fù)荷緊張時期再放水至下游水庫發(fā)電的水電站，由于抽水蓄能電站的自身特點，因此多將其作為調(diào)頻、備用的主要手段之一，是我國事故備用等輔助服務(wù)的主要電源之一，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有重要價值。

3.2 國內(nèi)水力發(fā)電技術(shù)市場發(fā)展情況

2014年底，我國水電裝機(jī)容量已突破30 GW，居世界第一，約占全球水電裝機(jī)總量的1/4，近幾年，無論從累計裝機(jī)總量還是新增裝機(jī)容量來看，水電一直持續(xù)增長，并在世界中居于前列。圖3為2008—2015年中國水電累計裝機(jī)容量。除了火電，水電是我國第二大電源，而且水電發(fā)電總量占非化石能源發(fā)電總量的近75%，是我國清潔能源發(fā)電的主力軍。水電在我國發(fā)展已有一段時間，相比較于其他清潔能源，水電在我國屬于最成熟的清潔發(fā)電技術(shù)。

圖3 2008年—2015年中國水電累計裝機(jī)容量

以電量計，我國可開發(fā)的水電資源約占世界總量的15%，雖然我國水電資源豐富，但資源地理分布不均。從區(qū)域來看，我國水電主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對滯后的西部地區(qū)。不過正因為水電資源分布集中，可以借助地理位置發(fā)揮水電的規(guī)模效益，為規(guī)模外送提供有利條件。未來，我國將繼續(xù)加大力度發(fā)展水電資源，重點開發(fā)西南地區(qū)水電資源，為“西電東送”打好堅實基礎(chǔ)，并且進(jìn)一步加快抽水蓄能電站建設(shè)，為電網(wǎng)調(diào)峰和可再生能源大規(guī)模發(fā)展提供重要支撐。

3.3 世界水電市場發(fā)展情況

根據(jù)國際水電協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，世界16%的電力是由水電提供。2015年，全球新增投產(chǎn)的水電裝機(jī)容量達(dá)到33 GW，其中包括3.2 GW抽水蓄能容量。大部分的新增容量都集中在發(fā)展中國家，圖4為2015年全球水電新增裝機(jī)容量地區(qū)分布［數(shù)據(jù)來源：IHA(世界水能協(xié)會)，2016 Hydropower Status Report］，其中2015年中國新增水力發(fā)電容量約為19.4 GW，占世界總量的56%，其次分別是巴西和土耳其。

圖4 2015年全球水電新增裝機(jī)容量地區(qū)分布

隨著世界范圍內(nèi)的可再生能源的發(fā)展，儲能和可再生能源必須緊密結(jié)合才能發(fā)揮最大效益。水電在這方面發(fā)揮著獨特而強(qiáng)大的作用，水電站水庫（包括抽水蓄能）用于多種時長（從幾分鐘到幾年）的儲能。從目前來看，水電為世界電網(wǎng)系統(tǒng)提供99%的電力蓄能。事實上，利用可再生資源的相互協(xié)調(diào)來達(dá)到協(xié)同優(yōu)化的作用的相關(guān)案例已經(jīng)越來越多。例如：西班牙附近的一個島嶼，將風(fēng)能和水能相結(jié)合，風(fēng)力發(fā)電站主要提供電力供應(yīng)，另外準(zhǔn)備了一個抽水蓄能系統(tǒng)作為備用，形成了一個可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。在我國也有這樣的例子，我國西北部的龍羊峽水光互補(bǔ)光伏電站，該水電站采用了反應(yīng)迅速的渦輪機(jī)，能平衡云層和時間變化引起的太陽光自然變化所導(dǎo)致的光電功率變化。通過平整功率曲線，水光混合并網(wǎng)可實現(xiàn)利用間歇性能量源向電網(wǎng)提供高質(zhì)量、安全可靠的電能。因此，水電在快速發(fā)展的可再生能源中有著重要的地位，不僅承擔(dān)清潔能源取代化石能源的作用，還具有一定的能源儲存價值，為系統(tǒng)運(yùn)行提供備用和調(diào)頻。

4 生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)及市場現(xiàn)狀研究

我國的生物質(zhì)發(fā)電起步較晚，2006—2013年，我國生物質(zhì)及垃圾發(fā)電裝機(jī)容量逐年增加，由2006年的4.8 GW增加至2012年的9.8 GW，年均復(fù)合增長率達(dá)9.33%，步入快速發(fā)展期。

截至2015年底，我國生物質(zhì)發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)總?cè)萘繛? 031萬kW，其中，農(nóng)林生物質(zhì)直燃發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量約530萬kW，垃圾焚燒發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量約為468萬kW，兩者占比在97%以上，還有少量沼氣發(fā)電、污泥發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電項目。我國的生物發(fā)電總裝機(jī)容量已位居世界第二位，僅次于美國。

從全球范圍來看，生物質(zhì)發(fā)電仍然處于快速發(fā)展的階段。2013年全球生物質(zhì)新增裝機(jī)量5.5 GW，累計裝機(jī)規(guī)模達(dá)到76.4 GW。在歐美等發(fā)達(dá)國家，生物質(zhì)發(fā)電已形成非常成熟的產(chǎn)業(yè)，成為一些國家重要的發(fā)電和供熱方式，美國能源部預(yù)測，到2025年前，可再生能源中生物質(zhì)發(fā)電將占主導(dǎo)地位。

5 結(jié)束語

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)和特高壓建設(shè)的逐步發(fā)展，清潔能源將迎來高速發(fā)展時期，未來將逐步取代化石能源成為社會的主要能源。但我國清潔能源發(fā)展還主要面臨以下問題：①由于地理因素制約，我國清潔能源資源分布式不均，區(qū)域性需求與供給嚴(yán)重不均衡；②傳統(tǒng)化石能源發(fā)電供給剩余，造成嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象；③清潔能源發(fā)電技術(shù)仍普遍偏高，發(fā)電穩(wěn)定性不高。

面對我國的清潔能源發(fā)展面臨的問題，未來我國首先應(yīng)從全局的角度合理規(guī)劃清潔能源基地，對資源豐富的地區(qū)尤其要注意進(jìn)行電能替代的推廣，方便清潔能源的就地消納。同時加強(qiáng)各類清潔能源、儲能設(shè)備和傳統(tǒng)化石能源之間的協(xié)調(diào)調(diào)度，形成相互補(bǔ)充、相互連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高清潔能源供電穩(wěn)定性與可靠性。最后，從成本的角度來說，降低造價成本，進(jìn)而降低發(fā)電成本，對清潔能源推廣起著重要作用。因此，我國在推廣清潔能源的同時，更應(yīng)該加強(qiáng)清潔能源技術(shù)的相關(guān)研究，提高發(fā)電效率。

［1］ 劉開俊.能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展路徑探究［J］.電力建設(shè)，2015，36（10）：5-10．

［2］ 廖開強(qiáng)，董建康.太陽能發(fā)電技術(shù)及其設(shè)計特點［J］.山東電力高等專科學(xué)校學(xué)報，2011，14（5）：27-30．

［3］ 孔慧，熊勝虎.全球光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析［J］.太陽能，2009（6）：10-12.

［4］ 劉振亞.全球能源互聯(lián)網(wǎng)［M］.北京：中國電力出版社，2015.

Thestudy of clean power energy generation technology and market development status

LIXin-min
（North China Electric Power University,Beijing 102206,China）

With the increasingly serious environmental pollution and energy shortage,the development of clean power energy is increasing all over the world in recent years,especially the rapid development of wind power,photovoltaic power and hydropower.This paper mainly summarizes and analyses wind power,solar power and hydro power generation from two aspects of technology characteristicsof clean energy generation and world market development status.

clean power energy;power generation technology;development status

F407.61；TK018

C

1009-1831（2017）06-0029-04

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.06.007

2017-07-28；

2017-09-29