新能源發(fā)電現狀概述與分析

　1、概述
電力行業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)能源供應和。2012 年我國原煤和原油占能源生產(chǎn)總量的比重達到85.4%，在進(jìn)口能源中同樣以煤炭和石油為主。據統計，2012 年能源消費總量增速從前一年的2.4%降至1.8%。中國大陸能源消費總量占到當年新增能源消費總量的21.9%，增速達7.4%；煤炭占當年煤炭消費總量的份額達到50.2%，成為消費世界煤炭半數以上的國家，石油凈進(jìn)口量也占據了增量的86%。
目前，這些傳統能源日益枯竭，國內環(huán)境問(wèn)題日益嚴重，發(fā)展新能源已成為我國乃至世界能源戰略的主流。新能源不僅包括風(fēng)能、太陽(yáng)能和生物質(zhì)能等傳統可再生能源，還包括頁(yè)巖氣和小堆核電等新型能源或資源。雖然在今后一段時(shí)期，煤炭仍將是發(fā)電燃料消費增長(cháng)的主力軍，但非化石燃料將奮起直追。因此，有必要為風(fēng)能、太陽(yáng)能、頁(yè)巖氣和小堆核電等新能源發(fā)電營(yíng)造適宜的政策環(huán)境，并進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟現狀分析。
2、風(fēng)力發(fā)電
在過(guò)去5 年(2009～2013)，風(fēng)電市場(chǎng)規模幾乎擴大了200GW，風(fēng)力發(fā)電裝機規模不斷擴大。據風(fēng)能理事會(huì )(GWEC)統計，2013 年風(fēng)電累計裝機容量達到318.137GW， 年遞增12.5%； 中國大陸風(fēng)電累計裝機容量已達91.424GW， 本年度增加16.1GW，年遞增21.4%。
2.1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展方向
目前， 我國風(fēng)力發(fā)電的單機容量在不斷增大，海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)展正在逐步商業(yè)化，但存在以下相關(guān)技術(shù)問(wèn)題亟待解決：
① 大功率中壓變流器。為了能更好地提高風(fēng)能的轉換效率并降低成本，需要研發(fā)大功率中壓變流器以提高風(fēng)力發(fā)電機的標稱(chēng)容量。
② 用于風(fēng)電場(chǎng)的儲能技術(shù)。風(fēng)電場(chǎng)儲能技術(shù)可以在經(jīng)濟和技術(shù)兩方面顯著(zhù)增加風(fēng)力發(fā)電的吸引力，儲能系統在維持電壓、頻率穩定方面作用十分明顯。蓄電池儲能系統應用，尤其是鋰電池、鎳電池和鉛酸蓄電池三種儲能系統。另外，提高蓄電池的使用壽命、降低維護成本和采用抽水蓄能、飛輪及超導儲能，也是儲能技術(shù)發(fā)展的主題。
③ 海上風(fēng)力發(fā)電。離岸安裝海上風(fēng)力發(fā)電設備將是風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。海上具備足夠的風(fēng)能資源，可以在海水較淺的區域安裝風(fēng)力發(fā)電機，離岸風(fēng)力發(fā)電機與安裝在附近岸上的風(fēng)力發(fā)電機相比，前者所產(chǎn)生的電能會(huì )多出近1 倍。
2.2 風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟分析
火力發(fā)電機組的初期成本遠大于風(fēng)電場(chǎng)，使得風(fēng)電場(chǎng)在經(jīng)濟上更具競爭力。但由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性、隨機性和可調度性低等特點(diǎn)，大規模風(fēng)電場(chǎng)接入后對電力系統運行會(huì )產(chǎn)生較大影響，需加大調峰電源建設。調峰能力不足是我國電網(wǎng)長(cháng)期存在的問(wèn)題， 風(fēng)電場(chǎng)大規模接入則進(jìn)一步增加了調峰難度。此外，我國各地區風(fēng)能資源分布不均衡，主要集中于西北地區，與集中在東部的電力負荷中心逆向分布，需要解決遠距離、大規模輸送問(wèn)題。目前，不少地區大規模風(fēng)電送出、消納的矛盾日益突出，導致風(fēng)電利用效率并不高，“棄風(fēng)”現象凸顯，風(fēng)電設
備利用小時(shí)數低，嚴重制約了風(fēng)電的發(fā)展和效益。
為了促進(jìn)風(fēng)電的大規模發(fā)展，我國對風(fēng)力發(fā)電實(shí)行上網(wǎng)電價(jià)政策，要求電網(wǎng)公司按照國家規定的上網(wǎng)電價(jià)進(jìn)行收購。風(fēng)電的經(jīng)濟性主要體現在經(jīng)濟效益和環(huán)境效益上。
2.2.1 經(jīng)濟效益
風(fēng)電機組造價(jià)和風(fēng)資源區等效年利用小時(shí)數對風(fēng)電場(chǎng)的利潤率有顯著(zhù)影響，隨著(zhù)風(fēng)電機組造價(jià)的逐步降低，風(fēng)電場(chǎng)的利潤率亦逐步提高。不同的風(fēng)資源區， 風(fēng)電機組的等效年利用小時(shí)數不同，則風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟性也不同。
2.2.2 環(huán)境效益
隨著(zhù)石油、煤炭等礦物燃料資源日趨枯竭，風(fēng)電作為清潔能源中競爭力、發(fā)展潛力的能源逐步受到重視。風(fēng)電的節能減排效果非常突出，每千瓦時(shí)風(fēng)電上網(wǎng)可以節省大約340g 標準煤， 同時(shí)減少0.983kg 二氧化碳、0.698g 二氧化硫、0.65g氮氧化物以及0.355g 固體顆粒物的排放。
目前，一些地區受傳統火力發(fā)電項目背后利益鏈的驅使，風(fēng)電不但沒(méi)有享受到全額保障性收購的權利，甚至還要為火力發(fā)電的計劃電量“調峰”、“讓路”，從而導致“棄風(fēng)”現象。作為一項基本國策，節能減排是必須恪守的原則，國家應進(jìn)一步鼓勵并扶持風(fēng)力發(fā)電。
3光伏發(fā)電
太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電，另一類(lèi)是太陽(yáng)能熱發(fā)電，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)已比較成熟，且發(fā)展迅速，具有良好的前景。據歐洲光伏行業(yè)協(xié)會(huì )(EPIA)統計，2013年光伏發(fā)電系統新增裝機容量超過(guò)37GW，遠遠超過(guò)了2012 年29.9GW 的新增裝機容量， 截至2013 年底累計裝機容量為136.7GW；中國年度新增裝機容量11.3GW，居各國家和地區，年增長(cháng)136.1%。
3.1 光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展方向
3.1.1 光伏電池
隨著(zhù)光伏電池相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，光伏電池種類(lèi)也不斷更新。在各種光伏電池中，應用較多的仍是晶硅電池，*在80%以上；非晶硅也占有一定的市場(chǎng)比率；大部分多元化合物半導體技術(shù)仍處于實(shí)驗室階段，離大規模市場(chǎng)應用還有一定距離。
3.1.2 zui大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)
光伏發(fā)電zui大的特點(diǎn)就是光伏輸出電壓與環(huán)境溫度、光照強度呈非線(xiàn)性關(guān)系，因此，光伏發(fā)電zui大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的研究得到廣泛重視。常用的幾種zui大功率點(diǎn)跟隨技術(shù)包括：定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀(guān)測法和電導增量法以及它們的改進(jìn)算法。隨著(zhù)智能控制理論的發(fā)展，模糊控制理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等理論也在這種技術(shù)中得以應用。
3.1.3 光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)
在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統中，并網(wǎng)逆變器的設計是核心內容和關(guān)鍵技術(shù)。隨著(zhù)并網(wǎng)逆變器由單級向多級發(fā)展，電能轉換級數隨之增加，逆變器也發(fā)展出集中型、串級型、模塊集成型等結構。為了提高整個(gè)系統的效率，就需要多臺逆變器的統一控制。此外，針對大容量光伏并網(wǎng)系統，迫切需要解決的技術(shù)問(wèn)題還有如何更好地抑制低功率時(shí)的電流諧波，多臺逆變器同時(shí)并網(wǎng)時(shí)電流諧波的疊加等。
3.2 經(jīng)濟發(fā)展方向
近年來(lái)，光伏發(fā)電已成為世界各國普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)規模不斷擴大，產(chǎn)品成本持續下降，作為主要原料的太陽(yáng)能級硅甚至出現了供過(guò)于求的現象。國家電網(wǎng)公司2012 年10 月發(fā)布分布式光伏發(fā)電項目并網(wǎng)相關(guān)方案，對單個(gè)并網(wǎng)總裝機容量不超過(guò)6MW 等條件的分布式光伏發(fā)電項目免費提供接入服務(wù)，并且全額收購這些項目富余的電量，標志著(zhù)困擾產(chǎn)業(yè)發(fā)展的光伏發(fā)電并網(wǎng)瓶頸獲得突破。在“國家863 項目”中，光伏電池轉換效率達到了20.44%， 但光電轉換效率低仍然是制約光伏發(fā)電發(fā)展的主要瓶頸。為了增強光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益，可以采取下列措施：
① 政府優(yōu)惠補貼。當前世界各國主要依靠政府的政策支持，實(shí)施稅收優(yōu)惠補貼、退稅補貼和擔保補貼等措施來(lái)緩解光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成本壓力。
② 增加發(fā)電容量。光伏產(chǎn)業(yè)屬于規模性經(jīng)濟，光伏發(fā)電站必須建造得相當大，發(fā)電容量要不斷增加，才能發(fā)揮較大生產(chǎn)效力，降低發(fā)電成本。
③ 采用高新技術(shù)?？梢圆捎酶咚l(fā)電、衛星發(fā)電和月球電站等太陽(yáng)能發(fā)電高新技術(shù)，盡管這些技術(shù)尚不成熟，有的甚至還停留在理論階段，但隨著(zhù)科技的發(fā)展，相信這些技術(shù)將大大提高太陽(yáng)能發(fā)電的效率，提高經(jīng)濟效益。
④ 開(kāi)發(fā)材料。用于光伏陣列的原材料主要是結晶硅和非晶硅， 此外還有化合物光伏陣列。采用非晶硅薄膜電池與多晶硅電池發(fā)電成本相近，而多晶硅電池比薄膜電池轉換效率高出5%～10%。有機太陽(yáng)能電池具有成本低、重量輕、可折疊、半透明等優(yōu)點(diǎn)，中科院福建物構所研究開(kāi)發(fā)的有機太陽(yáng)能電池材料效率可達8.31%。隨著(zhù)電池轉換效率的不斷提高，有機太陽(yáng)能電池已經(jīng)顯現出廣闊的應用前景。
4、非常規天然氣資源———頁(yè)巖氣
4.1 發(fā)展現狀
截至2013 年， 擁有可開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣資源的國家達到41 個(gè)，技術(shù)可采資源量達到7299×1012ft3(1ft3=0.0283m3)。美國走在了頁(yè)巖(油)氣開(kāi)發(fā)的前列，取得了巨大的成功，并顛覆了美國的能源市場(chǎng)，提高了能源自給水平。美國在2009 年已超越俄羅斯成為zui大的天然氣生產(chǎn)國， 能源對外依存度降至20世紀80 年代以來(lái)的zui低水平，石油進(jìn)口從2005 年占石油消費總量的60%降至2012 年的42%， 凈進(jìn)口量從超過(guò)1300×104bbl/d 降至800×104bbl/d，60 年來(lái)成為煉油產(chǎn)品出口國。鑒于頁(yè)巖(油)氣的開(kāi)發(fā)情況，能源署(IEA) 在2012 年11 月預測，美國在2017 年將超過(guò)沙特和俄羅斯成為世界zui大的石油生產(chǎn)國；到2035 年，將主要依靠包括頁(yè)巖氣在內的廉價(jià)天然氣，實(shí)現能源自給自足，滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)和發(fā)電的能源需求。
美國能源情報信息署(EIA)稱(chēng)，中國擁有世界上zui大的頁(yè)巖氣儲備， 達32×1012m3， 超出美國68%。我國國土資源部的預測雖然較為保守，估計為25×1012m3，但依然較美國儲量高出32%。就頁(yè)巖氣產(chǎn)量而言，中國有望成為下一個(gè)美國。我國政府也正在著(zhù)手頁(yè)巖氣的技術(shù)開(kāi)發(fā)和商業(yè)發(fā)展。不過(guò)與北美相比，我國頁(yè)巖氣資源的地理和工業(yè)條件并不十分有利，尤其是大多數的頁(yè)巖盆地都有著(zhù)復雜、不利于頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的地理環(huán)境， 比如位于地震活躍區、頁(yè)巖層非常厚等；我國頁(yè)巖盆地的總有機碳含量在0.4%～30%范圍內， 有機質(zhì)成熟度在0.4%～5.0%范圍內，因不同的地質(zhì)層和地區而有很大的不同。
我國已經(jīng)著(zhù)手對頁(yè)巖氣的鉆探，目前主要集中在四川盆地和長(cháng)江平原。近幾年，隨著(zhù)國內頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的快速推進(jìn)，在借鑒*技術(shù)及國內常規油氣開(kāi)采經(jīng)驗的基礎上，順利完成了一批頁(yè)巖氣井的鉆井、固井及大型壓裂施工作業(yè)，為國內頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)積累了初步經(jīng)驗。例如，在河南油田頁(yè)巖氣井成功實(shí)施了壓裂施工，并取得了預期效果。截至2013 年3 月， 全國共實(shí)施頁(yè)巖氣鉆井83 口，主要分布在四川、陜西、重慶等地。為加快發(fā)展頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)，國家能源局在2013 年10 月頒布了《頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)政策》。預計到2015 年，中國可實(shí)現頁(yè)巖氣的規模生產(chǎn)。
為節省更多的原油以增加出口利潤，沙特阿拉伯即將成為北美國家以外*使用頁(yè)巖氣發(fā)電的國家。目前，國內還沒(méi)有頁(yè)巖氣發(fā)電廠(chǎng)，我國也需要進(jìn)行頁(yè)巖氣發(fā)電的示范工程研發(fā)工作。
4.2 經(jīng)濟分析
頁(yè)巖氣單井成本變化很大，與頁(yè)巖特點(diǎn)、埋藏深度、技術(shù)熟練程度、工藝配方、井型、水平段長(cháng)度、壓裂方式等因素有關(guān)。表1 為Scotia Waterous 公司、Wood Mackenzie 公司和萊斯大學(xué)對美國頁(yè)巖開(kāi)發(fā)成本的統計數據，表2 為2006～2011 年美國國內天然氣井口價(jià)及進(jìn)口天然氣價(jià)格。通過(guò)表1 和表2 可知， 如果盈虧平衡按WoodMackenzie 公司和萊斯大學(xué)的數據計算， 美國的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)將處于虧損狀態(tài)；即使按照Scotia Waterous公司的數據計算，也是處于盈虧平衡的邊緣，盈利能力并不強。雖然美國頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步大大降低了開(kāi)發(fā)成本，但從目前情況來(lái)看，頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)形勢并不樂(lè )觀(guān)。為了推動(dòng)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)，美國實(shí)施了相應的稅收激勵或補貼政策，以德克薩斯州為例，對頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)免征生產(chǎn)稅，實(shí)施3.5 美分/m3的政府補貼。
由于我國頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)還處于起步階段，尚不夠成熟， 對于國內頁(yè)巖氣開(kāi)采成本的估算并不準確。國內頁(yè)巖氣藏比美國的埋藏更深，參照美國經(jīng)驗可知，國內的頁(yè)巖氣開(kāi)采成本將遠高于現行工業(yè)用天然氣出廠(chǎng)價(jià)，如果引入美國的技術(shù)和設備，高額的技術(shù)轉讓費同樣會(huì )推高頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)成本。2012 年11 月，財政部和國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于出臺頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)利用補貼政策的通知》，2012～2015 年中央財政對頁(yè)巖氣開(kāi)采企業(yè)的補貼標準為0.4 元/m3，地方財政可根據當地頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)利用情況，對頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)利用給予適當補貼。
5、小堆核電
5.1 技術(shù)發(fā)展方向
我國2011 年核能消費總量為1950×104t 油當量，較2012 年增長(cháng)16.9%，不到美國當年核能消費總量的1/8。大型核電站需要占用大量的土地，而小堆核電具有小身型、多用途、多選擇、高安全等技術(shù)上的優(yōu)勢，所以發(fā)展小堆核電適合我國電力行業(yè)的發(fā)展需求。
5.1.1 小身型
“小身型”體現在設計上，表現為反應堆的一體化系統設計，用一體化布置取代環(huán)路型布置，取消了大堆原來(lái)的主回路管道。相比于大堆，小堆的設備尺寸和重量都大大縮減。目前，壓水堆電站的建設周期需要60 個(gè)月， 而中核集團開(kāi)發(fā)的小堆建設周期預計只需要36 個(gè)月。
5.1.2 多用途
“多用途”體現在除了單一的發(fā)電功能以外，小堆還可以用于許多其他工業(yè)用途， 如海水淡化、船舶推進(jìn)、熱電站等。小堆核電zui大的市場(chǎng)優(yōu)勢是有利于實(shí)現高度的安全性和具有率的電、熱、汽、水聯(lián)產(chǎn)能力，從而具有較好的經(jīng)濟性，能適應不同用戶(hù)的需求。
5.1.3 多選擇
小堆核電是將核蒸汽系統一體化集成為反應堆模塊，每個(gè)模塊的zui大發(fā)電能力為10×104kW。一個(gè)模塊式核電廠(chǎng)可以有2～6 個(gè)模塊，模塊可以根據廠(chǎng)址的形狀和大小自由組合安放，業(yè)主可以根據需求，在建廠(chǎng)初期一次性靈活配置裝機容量。小堆的選址也具有靈活性，能夠因地制宜。
5.1.4 高安全
國產(chǎn)新型模塊式小型堆ACP100 在安全性方面達到甚至超過(guò)了第三代壓水堆的水平，具有更高的安全性和抗事故能力，是更為安全的堆型。ACP100采用的是非能動(dòng)的堆芯冷卻系統和余熱冷卻系統，它不依賴(lài)外部電源， 不會(huì )像日本福島核事故那樣，因地震和海嘯失去電源供應導致堆芯無(wú)法冷卻。ACP100 取消了主管道， 減少了管道破裂導致的泄漏隱患。同時(shí)， 由于A(yíng)CP100 的整個(gè)核能系統都布置在地面下，即使在地震條件下也不會(huì )導致冷卻水大量流失，可以避免福島核事故中因為管道破裂造成的部分輻射廢水排出，這也是福島核泄漏事故的主要原因。
5.2 經(jīng)濟發(fā)展方向
2014 年，國內*座采用ACP100 技術(shù)的福建莆田小堆示范工程項目建議書(shū)已報至國家能源局，計劃在2014 年6 月開(kāi)始澆注核島*罐混凝土，預計2016 年正式投入商業(yè)運行。
從經(jīng)濟性上講，小堆也具備一定優(yōu)勢， 大堆一次性投資很大，而小堆可采用滾動(dòng)發(fā)展、資金分階段逐步投入的方式進(jìn)行核電建設，逐步增加核電站裝機容量。國內小堆項目經(jīng)濟上還需要評估，但目前來(lái)說(shuō)還無(wú)法與大堆相比。開(kāi)發(fā)模塊式小堆，關(guān)鍵是技術(shù)和設備制造質(zhì)量， 但我國還沒(méi)有這種優(yōu)勢。目前的小堆核電都處于初始階段， 但有理由相信，隨著(zhù)科技進(jìn)步和成本降低，小堆核電*可以收回成本，并取得環(huán)境和經(jīng)濟上的雙豐收。
6 新能源發(fā)電發(fā)展趨勢
發(fā)展低碳經(jīng)濟、綠色經(jīng)濟是不可逆轉的世界經(jīng)濟發(fā)展趨勢，在我國未來(lái)能源格局中，新能源發(fā)電的比例將不斷上升，煤電比例將逐漸下降。不過(guò)新能源從輔助能源成為主要能源還需要一個(gè)長(cháng)期的過(guò)程，這是由我國自然資源分布、經(jīng)濟發(fā)展階段和新能源發(fā)展特點(diǎn)所決定的。隨著(zhù)國家對風(fēng)能、太陽(yáng)能、頁(yè)巖氣和小堆核電等新能源發(fā)電支持力度的進(jìn)一步增強，新技術(shù)的發(fā)展以及新能源開(kāi)發(fā)成本的降低、性?xún)r(jià)比的提高，智能電網(wǎng)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，新能源發(fā)電必將取得長(cháng)足的進(jìn)步。