新能源發電現狀概述與分析

　1、概述
電力行業的發展離不開能源供應和。2012 年我國原煤和原油占能源生產總量的比重達到85.4%，在進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，國內環境問題日益嚴重，發展新能源已成為我國乃至世界能源戰略的主流。新能源不僅包括風能、太陽能和生物質能等傳統可再生能源，還包括頁巖氣和小堆核電等新型能源或資源。雖然在今后一段時期，煤炭仍將是發電燃料消費增長的主力軍，但非化石燃料將奮起直追。因此，有必要為風能、太陽能、頁巖氣和小堆核電等新能源發電營造適宜的政策環境，并進行技術和經濟現狀分析。
2、風力發電
在過去5 年(2009～2013)，風電市場規模幾乎擴大了200GW，風力發電裝機規模不斷擴大。據風能理事會(GWEC)統計，2013 年風電累計裝機容量達到318.137GW， 年遞增12.5%； 中國大陸風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 風力發電技術發展方向
目前， 我國風力發電的單機容量在不斷增大，海上風電場的發展正在逐步商業化，但存在以下相關技術問題亟待解決：
① 大功率中壓變流器。為了能更好地提高風能的轉換效率并降低成本，需要研發大功率中壓變流器以提高風力發電機的標稱容量。
② 用于風電場的儲能技術。風電場儲能技術可以在經濟和技術兩方面顯著增加風力發電的吸引力，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，也是儲能技術發展的主題。
③ 海上風力發電。離岸安裝海上風力發電設備將是風力發電機技術的主要發展趨勢。海上具備足夠的風能資源，可以在海水較淺的區域安裝風力發電機，離岸風力發電機與安裝在附近岸上的風力發電機相比，前者所產生的電能會多出近1 倍。
2.2 風力發電經濟分析
火力發電機組的初期成本遠大于風電場，使得風電場在經濟上更具競爭力。但由于風力發電的間歇性、隨機性和可調度性低等特點，大規模風電場接入后對電力系統運行會產生較大影響，需加大調峰電源建設。調峰能力不足是我國電網長期存在的問題， 風電場大規模接入則進一步增加了調峰難度。此外，我國各地區風能資源分布不均衡，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、大規模輸送問題。目前，不少地區大規模風電送出、消納的矛盾日益突出，導致風電利用效率并不高，“棄風”現象凸顯，風電設
備利用小時數低，嚴重制約了風電的發展和效益。
為了促進風電的大規模發展，我國對風力發電實行上網電價政策，要求電網公司按照國家規定的上網電價進行收購。風電的經濟性主要體現在經濟效益和環境效益上。
2.2.1 經濟效益
風電機組造價和風資源區等效年利用小時數對風電場的利潤率有顯著影響，隨著風電機組造價的逐步降低，風電場的利潤率亦逐步提高。不同的風資源區， 風電機組的等效年利用小時數不同，則風電場的經濟性也不同。
2.2.2 環境效益
隨著石油、煤炭等礦物燃料資源日趨枯竭，風電作為清潔能源中競爭力、發展潛力的能源逐步受到重視。風電的節能減排效果非常突出，每千瓦時風電上網可以節省大約340g 標準煤， 同時減少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電項目背后利益鏈的驅使，風電不但沒有享受到全額保障性收購的權利，甚至還要為火力發電的計劃電量“調峰”、“讓路”，從而導致“棄風”現象。作為一項基本國策，節能減排是必須恪守的原則，國家應進一步鼓勵并扶持風力發電。
3光伏發電
太陽能發電技術可以分為兩大類：一類是太陽能光伏發電，另一類是太陽能熱發電，其中太陽能光伏發電技術已比較成熟，且發展迅速，具有良好的前景。據歐洲光伏行業協會(EPIA)統計，2013年光伏發電系統新增裝機容量超過37GW，遠遠超過了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136.1%。
3.1 光伏發電技術發展方向
3.1.1 光伏電池
隨著光伏電池相關技術的發展，光伏電池種類也不斷更新。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比率；大部分多元化合物半導體技術仍處于實驗室階段，離大規模市場應用還有一定距離。
3.1.2 zui大功率點跟蹤技術
光伏發電zui大的特點就是光伏輸出電壓與環境溫度、光照強度呈非線性關系，因此，光伏發電zui大功率點跟蹤技術的研究得到廣泛重視。常用的幾種zui大功率點跟隨技術包括：定電壓跟蹤法、擾動觀測法和電導增量法以及它們的改進算法。隨著智能控制理論的發展，模糊控制理論、人工神經網絡等理論也在這種技術中得以應用。
3.1.3 光伏并網逆變器技術
在光伏發電并網系統中，并網逆變器的設計是核心內容和關鍵技術。隨著并網逆變器由單級向多級發展，電能轉換級數隨之增加，逆變器也發展出集中型、串級型、模塊集成型等結構。為了提高整個系統的效率，就需要多臺逆變器的統一控制。此外，針對大容量光伏并網系統，迫切需要解決的技術問題還有如何更好地抑制低功率時的電流諧波，多臺逆變器同時并網時電流諧波的疊加等。
3.2 經濟發展方向
近年來，光伏發電已成為世界各國普遍關注和重點發展的新興產業，產業規模不斷擴大，產品成本持續下降，作為主要原料的太陽能級硅甚至出現了供過于求的現象。國家電網公司2012 年10 月發布分布式光伏發電項目并網相關方案，對單個并網總裝機容量不超過6MW 等條件的分布式光伏發電項目免費提供接入服務，并且全額收購這些項目富余的電量，標志著困擾產業發展的光伏發電并網瓶頸獲得突破。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電發展的主要瓶頸。為了增強光伏發電產業的經濟效益，可以采取下列措施：
① 政府優惠補貼。當前世界各國主要依靠政府的政策支持，實施稅收優惠補貼、退稅補貼和擔保補貼等措施來緩解光伏產業發展的成本壓力。
② 增加發電容量。光伏產業屬于規模性經濟，光伏發電站必須建造得相當大，發電容量要不斷增加，才能發揮較大生產效力，降低發電成本。
③ 采用高新技術?？梢圆捎酶咚l電、衛星發電和月球電站等太陽能發電高新技術，盡管這些技術尚不成熟，有的甚至還停留在理論階段，但隨著科技的發展，相信這些技術將大大提高太陽能發電的效率，提高經濟效益。
④ 開發材料。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%。有機太陽能電池具有成本低、重量輕、可折疊、半透明等優點，中科院福建物構所研究開發的有機太陽能電池材料效率可達8.31%。隨著電池轉換效率的不斷提高，有機太陽能電池已經顯現出廣闊的應用前景。
4、非常規天然氣資源———頁巖氣
4.1 發展現狀
截至2013 年， 擁有可開發頁巖氣資源的國家達到41 個，技術可采資源量達到7299×1012ft3(1ft3=0.0283m3)。美國走在了頁巖(油)氣開發的前列，取得了巨大的成功，并顛覆了美國的能源市場，提高了能源自給水平。美國在2009 年已超越俄羅斯成為zui大的天然氣生產國， 能源對外依存度降至20世紀80 年代以來的zui低水平，石油進口從2005 年占石油消費總量的60%降至2012 年的42%， 凈進口量從超過1300×104bbl/d 降至800×104bbl/d，60 年來成為煉油產品出口國。鑒于頁巖(油)氣的開發情況，能源署(IEA) 在2012 年11 月預測，美國在2017 年將超過沙特和俄羅斯成為世界zui大的石油生產國；到2035 年，將主要依靠包括頁巖氣在內的廉價天然氣，實現能源自給自足，滿足產業和發電的能源需求。
美國能源情報信息署(EIA)稱，中國擁有世界上zui大的頁巖氣儲備， 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%。就頁巖氣產量而言，中國有望成為下一個美國。我國政府也正在著手頁巖氣的技術開發和商業發展。不過與北美相比，我國頁巖氣資源的地理和工業條件并不十分有利，尤其是大多數的頁巖盆地都有著復雜、不利于頁巖氣開發的地理環境， 比如位于地震活躍區、頁巖層非常厚等；我國頁巖盆地的總有機碳含量在0.4%～30%范圍內， 有機質成熟度在0.4%～5.0%范圍內，因不同的地質層和地區而有很大的不同。
我國已經著手對頁巖氣的鉆探，目前主要集中在四川盆地和長江平原。近幾年，隨著國內頁巖氣開發的快速推進，在借鑒*技術及國內常規油氣開采經驗的基礎上，順利完成了一批頁巖氣井的鉆井、固井及大型壓裂施工作業，為國內頁巖氣的開發積累了初步經驗。例如，在河南油田頁巖氣井成功實施了壓裂施工，并取得了預期效果。截至2013 年3 月， 全國共實施頁巖氣鉆井83 口，主要分布在四川、陜西、重慶等地。為加快發展頁巖氣產業，國家能源局在2013 年10 月頒布了《頁巖氣產業政策》。預計到2015 年，中國可實現頁巖氣的規模生產。
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*使用頁巖氣發電的國家。目前，國內還沒有頁巖氣發電廠，我國也需要進行頁巖氣發電的示范工程研發工作。
4.2 經濟分析
頁巖氣單井成本變化很大，與頁巖特點、埋藏深度、技術熟練程度、工藝配方、井型、水平段長度、壓裂方式等因素有關。表1 為Scotia Waterous 公司、Wood Mackenzie 公司和萊斯大學對美國頁巖開發成本的統計數據，表2 為2006～2011 年美國國內天然氣井口價及進口天然氣價格。通過表1 和表2 可知， 如果盈虧平衡按WoodMackenzie 公司和萊斯大學的數據計算， 美國的頁巖氣開發將處于虧損狀態；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。雖然美國頁巖氣開發技術的進步大大降低了開發成本，但從目前情況來看，頁巖氣開發形勢并不樂觀。為了推動頁巖氣的開發，美國實施了相應的稅收激勵或補貼政策，以德克薩斯州為例，對頁巖氣的開發免征生產稅，實施3.5 美分/m3的政府補貼。
由于我國頁巖氣開發還處于起步階段，尚不夠成熟， 對于國內頁巖氣開采成本的估算并不準確。國內頁巖氣藏比美國的埋藏更深，參照美國經驗可知，國內的頁巖氣開采成本將遠高于現行工業用天然氣出廠價，如果引入美國的技術和設備，高額的技術轉讓費同樣會推高頁巖氣開發成本。2012 年11 月，財政部和國家能源局聯合發布《關于出臺頁巖氣開發利用補貼政策的通知》，2012～2015 年中央財政對頁巖氣開采企業的補貼標準為0.4 元/m3，地方財政可根據當地頁巖氣開發利用情況，對頁巖氣開發利用給予適當補貼。
5、小堆核電
5.1 技術發展方向
我國2011 年核能消費總量為1950×104t 油當量，較2012 年增長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、高安全等技術上的優勢，所以發展小堆核電適合我國電力行業的發展需求。
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路型布置，取消了大堆原來的主回路管道。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 個月， 而中核集團開發的小堆建設周期預計只需要36 個月。
5.1.2 多用途
“多用途”體現在除了單一的發電功能以外，小堆還可以用于許多其他工業用途， 如海水淡化、船舶推進、熱電站等。小堆核電zui大的市場優勢是有利于實現高度的安全性和具有率的電、熱、汽、水聯產能力，從而具有較好的經濟性，能適應不同用戶的需求。
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，每個模塊的zui大發電能力為10×104kW。一個模塊式核電廠可以有2～6 個模塊，模塊可以根據廠址的形狀和大小自由組合安放，業主可以根據需求，在建廠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
國產新型模塊式小型堆ACP100 在安全性方面達到甚至超過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采用的是非能動的堆芯冷卻系統和余熱冷卻系統，它不依賴外部電源， 不會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， 由于ACP100 的整個核能系統都布置在地面下，即使在地震條件下也不會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 經濟發展方向
2014 年，國內*座采用ACP100 技術的福建莆田小堆示范工程項目建議書已報至國家能源局，計劃在2014 年6 月開始澆注核島*罐混凝土，預計2016 年正式投入商業運行。
從經濟性上講，小堆也具備一定優勢， 大堆一次性投資很大，而小堆可采用滾動發展、資金分階段逐步投入的方式進行核電建設，逐步增加核電站裝機容量。國內小堆項目經濟上還需要評估，但目前來說還無法與大堆相比。開發模塊式小堆，關鍵是技術和設備制造質量， 但我國還沒有這種優勢。目前的小堆核電都處于初始階段， 但有理由相信，隨著科技進步和成本降低，小堆核電*可以收回成本，并取得環境和經濟上的雙豐收。
6 新能源發電發展趨勢
發展低碳經濟、綠色經濟是不可逆轉的世界經濟發展趨勢，在我國未來能源格局中，新能源發電的比例將不斷上升，煤電比例將逐漸下降。不過新能源從輔助能源成為主要能源還需要一個長期的過程，這是由我國自然資源分布、經濟發展階段和新能源發展特點所決定的。隨著國家對風能、太陽能、頁巖氣和小堆核電等新能源發電支持力度的進一步增強，新技術的發展以及新能源開發成本的降低、性價比的提高，智能電網技術水平的不斷發展，新能源發電必將取得長足的進步。