王玉贊 王笑南

中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司 云南 昆明 650051

長期以來，我國在社會經(jīng)濟發(fā)展中主要使用傳統(tǒng)化石能源進行發(fā)電。進入21世紀，考慮到化石能源的不可再生和高碳排高污染，傳統(tǒng)發(fā)電方式不僅無法滿足社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展需求，同時也會帶來較嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，尋求能源的綠色低碳轉(zhuǎn)型事關(guān)國家經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和能源安全。我國擁有豐富的太陽能、風能、水能、生物質(zhì)能以及地熱能等清潔能源，且經(jīng)過近20年的穩(wěn)步發(fā)展，新能源發(fā)電在政策體系、開發(fā)模式、技術(shù)標準方面已經(jīng)逐漸成熟，并在世界上處于領先地位。新能源發(fā)電以其綠色、低碳、可再生的特點，成為新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，并將逐步發(fā)展成為主力電源。本文闡述了新能源發(fā)電的主要應用類型，研究了其發(fā)展應用中的痛點、難點并提出相應的解決思路，為今后新能源發(fā)電在能源電力體系中進一步大規(guī)模發(fā)展應用提供參考。

1 新能源發(fā)電簡介

新能源與傳統(tǒng)的化石能源相比，具備顯著的可再生、綠色、低碳特性，在碳達峰、碳中和成為世界主流共識的大背景下，新能源憑借自身在資源量、清潔性等方面的優(yōu)勢，能夠使我國順利擺脫對傳統(tǒng)化石能源的依賴，實現(xiàn)能源安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。新能源發(fā)電主要是指以風能、太陽能、生物質(zhì)能等資源進行發(fā)電的系統(tǒng)，是對非常規(guī)能源的利用手段之一。新能源發(fā)電需要先后經(jīng)歷研發(fā)、示范、推廣、規(guī)?；l(fā)展等多個階段，目前我國的風能、太陽能、生物質(zhì)能發(fā)電已經(jīng)進入規(guī)模化發(fā)展階段，其余的發(fā)電技術(shù)均處于示范推廣階段[1]。

2 新型電力系統(tǒng)的內(nèi)涵及特征

新型電力系統(tǒng)是以確保能源電力安全為基本前提，以滿足經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的電力需求為首要目標，以高比例新能源供給消納體系建設為主線任務，以源網(wǎng)荷儲多向協(xié)同、靈活互動為堅強支撐，以堅強、智能、柔性電網(wǎng)為樞紐平臺，以技術(shù)創(chuàng)新和體制機制創(chuàng)新為基礎保障的新時代電力系統(tǒng)，是新型能源體系的重要組成和實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵載體。新型電力系統(tǒng)具備安全高效、清潔低碳、柔性靈活、智慧融合四大重要特征，其中安全高效是基本前提，清潔低碳是核心目標，柔性靈活是重要支撐，智慧融合是基礎保障，共同構(gòu)建了新型電力系統(tǒng)的“四位一體”框架體系。

3 電力系統(tǒng)中的新能源發(fā)電應用分析

3.1 風力發(fā)電

我國幅員遼闊，三北地區(qū)、東南沿海及附近海域的風能資源十分豐富，風力發(fā)電是目前應用最為普遍的新能源發(fā)電類型。

風力發(fā)電技術(shù)是將風能通過風輪轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為機械勢能，再通過發(fā)電裝置將機械勢能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。風力發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分有風輪、機艙、塔架，如圖1所示。在風力發(fā)電的過程中，風輪主要負責完成風能與機械勢能之間的轉(zhuǎn)換，用于風輪葉片制造的材料帶有明顯的高強度以及輕質(zhì)特性，且葉片一般保持雙流線型，在部分特殊狀況下也會使用s型葉片[2]。風力發(fā)電技術(shù)在長時間運用的過程中，發(fā)電裝置很容易受到外界自然因素的影響，引發(fā)風輪的腐蝕、開裂等質(zhì)量問題，需要相關(guān)人員定期進行保養(yǎng)以及維護。在風能發(fā)電裝置體系中的塔架具備支撐作用，要以風輪直徑、風資源切變指數(shù)為參考對塔架高度進行調(diào)整，一般而言，塔架的高度控制在70～140m的范圍內(nèi)，發(fā)電機可以將機械勢能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機的容量和風輪葉片長度之間有著明顯的正相關(guān)關(guān)系。

圖1 風力發(fā)電機組

3.2 光伏發(fā)電

光伏組件在接受太陽光線之后，組件中的電子會在太陽光子刺激下完全激活產(chǎn)生電流，這就是光伏發(fā)電最為基礎的光電效應（如圖2所示），光伏發(fā)電系統(tǒng)就是使用此種效應將太陽能轉(zhuǎn)化為電能供生產(chǎn)生活使用。目前我國光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展速度極快，光伏組件類型呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢，大致可以分為晶硅光伏組件及硅基薄膜光伏組件和聚光光伏組件等多種類型。晶硅光伏組件應用范圍相對較為廣泛，又可以分為單晶硅、多晶硅兩種類型，單晶硅的光伏組件運行中的光電轉(zhuǎn)化率能夠達到24%。硅基薄膜光伏組件在太陽光線較弱的狀況下依舊能夠發(fā)電，但整體的光電轉(zhuǎn)換效率僅有10%，并且轉(zhuǎn)換效率會隨著機組運轉(zhuǎn)時間的延長逐漸下降[3]。聚光光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率相較于晶硅光伏組件優(yōu)勢明顯，但在具體應用過程中，需要為其配備激光設備以及散熱器等相關(guān)配套設施，意味著發(fā)電成本明顯提高，但同樣也會帶來較大的發(fā)電收益和利潤，成為現(xiàn)階段發(fā)電系統(tǒng)中備受關(guān)注的新能源發(fā)電技術(shù)。

圖2 光電效應示意圖

3.3 生物質(zhì)發(fā)電

生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是將各種生物質(zhì)經(jīng)過處理之后轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇細怏w，通過點燃可燃氣體發(fā)電。這種發(fā)電技術(shù)能夠在有效保護生態(tài)資源的同時，提高整體的發(fā)電效率，并且清潔性優(yōu)勢也較為明顯。目前自然界內(nèi)分布的生物質(zhì)能種類較多，意味著生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)擁有良好的基礎條件。燃燒發(fā)電技術(shù)可以在鍋爐中放入一定數(shù)量的生物質(zhì)，在燃燒過程中產(chǎn)生的熱蒸汽，其中包含的熱能也可以逐漸轉(zhuǎn)化為電能[4]。生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)的組成部分以內(nèi)燃機發(fā)電機、氣化爐、燃氣凈化器等為主，需要在發(fā)電過程中針對生物質(zhì)嚴格按照已有標準的要求提前進行加工和處理，并將其放入到燃燒設備中。與傳統(tǒng)的能源直燃發(fā)電技術(shù)相比，生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)在可靠性、安全性以及清潔性方面的優(yōu)勢更加明顯。如果生物質(zhì)被完全燃燒，完全可以利用凈化裝置和氣化爐、內(nèi)燃機進行發(fā)電。如若生物質(zhì)尚未被完全燃燒，同樣可以利用氣化爐對于生物質(zhì)繼續(xù)進行燃燒，氣化氣體可以先后經(jīng)過冷卻、凈化裝置完成發(fā)電工作。

在當下生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)持續(xù)發(fā)展的背景下，沼氣發(fā)電技術(shù)應用越發(fā)普遍，可以將城市發(fā)展過程中形成的污水、垃圾、糞便這類有機廢物作為基礎材料，在其集中在厭氧環(huán)境下經(jīng)過發(fā)酵處理生成沼氣，隨后將這些沼氣點燃之后轉(zhuǎn)化為電能。這種技術(shù)的應用不僅能夠有效地處理城市在日常生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的各種廢物，并且電力能源的供應數(shù)量也有所提升。

4 新能源發(fā)電大規(guī)模發(fā)展的痛點和難點分析

4.1 新能源發(fā)電具有瞬時性、波動性特點，對電網(wǎng)穩(wěn)定性造成威脅

新能源發(fā)電出力存在隨機性與波動性。常規(guī)火電機組的可靠性具有平抑電網(wǎng)運行中由于運行方式或負荷變化引起的不平衡功率的能力，并具有可以“穿越”電網(wǎng)擾動的能力，具有較強的致穩(wěn)性和抗擾性。相對而言，新能源發(fā)電則存在保證出力低、出力分布大、日內(nèi)功率波動大、季節(jié)性偏差等問題。風光具有“極熱無風”、“晚峰無光”的反調(diào)峰特性，將給電網(wǎng)帶來15%～30%反調(diào)峰壓力，尤其是在極熱極寒無風、連續(xù)陰雨等特殊天氣下，對電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力要求更高。風電日波動最大幅度可達裝機容量的80%，隨機波動性使得風電無法響應系統(tǒng)中出現(xiàn)的功率不平衡，且難以“穿越”電網(wǎng)擾動，因而具有弱致穩(wěn)性和弱抗擾性。光伏具有日周期的特性，白天出力高，但在傍晚無法發(fā)電時，需要電力系統(tǒng)快速補充電力以滿足傍晚晚高峰用電需求，這一需求隨著光伏發(fā)電裝機規(guī)模的擴大而不斷增大。

4.2 新能源項目用地點多面廣，土地等要素保障難度大

風電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電項目設備設施要主要建設在地面上且點多面廣，不可避免地要與其他生產(chǎn)建設活動產(chǎn)生土地利用競爭關(guān)系，據(jù)統(tǒng)計光伏發(fā)電系統(tǒng)占地面積大，每1萬千瓦光伏發(fā)電占地300畝左右。連片開發(fā)的風電場每2000畝地可安裝1萬千瓦的風電機組。新能源的建設受到多種敏感因素制約，如國家最新劃定的“三區(qū)三線”，還有采礦權(quán)、探礦權(quán)，自然保護地，重要交通、管網(wǎng)等基礎設施用地限制。十多年來，我國已經(jīng)形成較為明確的新能源項目用地規(guī)則。新能源項目用地類型多樣，涉及土地類型復雜，復合項目建設要求、是否改變地表形態(tài)的認定標準等具體要求尚未明確，風電光伏項目開發(fā)建設面臨著不小的合規(guī)性風險。

4.3 資源分布與電力負荷的不匹配造成新能源項目電力消納困難

我國新能源資源分布與負荷分布嚴重不匹配，風光資源最豐富地區(qū)在三北，負荷中心又集中于中東部地區(qū)。西北大規(guī)模開發(fā)新能源所發(fā)電力需要通過高壓輸電通道輸送到中東部進行消納，但目前已有通道遠遠不能滿足新能源電力外送需求，新增規(guī)劃高壓輸電通道建設難度大，周期長，嚴重制約了三北地區(qū)新能源項目的規(guī)模化發(fā)展。

5 新能源發(fā)電規(guī)?；l(fā)展措施建議

5.1 加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)

未來電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力需求逐步攀升，并呈現(xiàn)不同時空尺度特性?！笆奈濉睍r期，新能源占比逐漸提高，常規(guī)電源將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)性和保障性電源。預計2025年，靈活調(diào)節(jié)電源占比將達到24%左右。遠期看，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，對調(diào)節(jié)能力的需求將更大。新能源成為主體電源之后，其季節(jié)性出力特性受天氣影響大，特別是對小時級以上的調(diào)節(jié)需求將更加突出。需要挖掘源網(wǎng)荷儲各環(huán)節(jié)的能力，要利用好可中斷負荷、虛擬電廠、跨省跨區(qū)交易等調(diào)節(jié)手段，推進電動汽車、長周期新型儲能、氫儲能的利用。系統(tǒng)調(diào)節(jié)電源主要包括煤電靈活性改造、調(diào)峰氣電、有調(diào)節(jié)能力的水電、抽水蓄能和電化學儲能等，未來還將包括壓縮空氣儲能、氫儲能和合成燃料儲能等。不同調(diào)節(jié)電源在性能、成本和配置要求等方面存在差異，需要綜合考慮各類調(diào)節(jié)電源特點和應用場景需求，因地制宜合理配置。

5.2 集約節(jié)約用地，提高土地利用效率

要充分利用沙漠、戈壁、荒漠等未利用地布局大型風光電基地，將新能源項目的空間信息按規(guī)定納入國土空間規(guī)劃“一張圖”，統(tǒng)籌安排大型風光電基地建設項目用地用林用草。沙漠、戈壁、荒漠是按照地貌、植被、氣候等因素分類的，在實際使用中需要以主管部門劃分的具體土地類型為依據(jù)。根據(jù)第五次全國荒漠化和沙化監(jiān)測結(jié)果，我國荒漠化土地面積261.16萬平方千米，遠超過第三次全國國土調(diào)查的未利用地地類面積，因此以沙漠戈壁荒漠為重點的大型風電光伏發(fā)電基地建設也難免涉及使用林地、草地等農(nóng)用地，需要統(tǒng)籌安排。

節(jié)約集約用地是我國國土空間利用的基本原則，新能源項目占地面積大，空間利用效率提升潛力大。要嚴格執(zhí)行土地使用標準，將新能源項目分類分區(qū)用地面積嚴格控制在標準范圍內(nèi)，不得突破標準控制；鼓勵推廣應用節(jié)地技術(shù)和節(jié)地模式，通過技術(shù)進步節(jié)約用地，新建項目用地節(jié)約集約化程度必須達到國內(nèi)同行業(yè)先進水平。農(nóng)光互補、林光互補、牧光互補、漁光互補等光伏復合項目是集約利用土地，是提高土地利用效率的新型節(jié)地模式。

5.3 多措并舉促消納

面對目前西北地區(qū)規(guī)劃的大規(guī)模的沙漠、戈壁、荒灘新能源項目建設，一是要積極規(guī)劃建設西電東送高壓輸電通道，并配套建設調(diào)節(jié)電源，提高輸電通道利用率；二是要支持鼓勵中東部地區(qū)高載能產(chǎn)業(yè)向西部轉(zhuǎn)移，促進西部新能源電力的就地消納，構(gòu)建國內(nèi)大循環(huán)經(jīng)濟體系；三是要發(fā)展多元化的新型能源體系，促進煤炭、油氣等產(chǎn)業(yè)與新能源的融合發(fā)展，積極推進新型儲能設施項目建設，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行能力。

6 結(jié)語

以風電、光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電，是目前技術(shù)最為成熟、商業(yè)化規(guī)?；_發(fā)程度最高的能源品類，其綠色、低碳、可再生的特性決定了未來在我國新型能源體系中的重要地位。我國風光資源豐富，開發(fā)潛力巨大，面對我國“富煤貧油少氣”的能源資源現(xiàn)狀，為保障國家能源安全，大力開發(fā)新能源，助力實現(xiàn)雙碳目標，是目前的共識，也是大勢所趨。但也要看到新能源發(fā)電本身的問題和不足，要從政策、技術(shù)、成本等方面進行深入研究，逐步解決電能質(zhì)量差、要素保障難、源網(wǎng)荷不匹配等問題，不斷進行體制機制和科技創(chuàng)新，將新能源打造成我國另一張亮麗名片，助力實現(xiàn)2060年碳中和目標。