隨著可再生能源的應(yīng)用越來越廣泛，風(fēng)力、太陽能這類清潔低碳無污染排放的綠色能源越來越多的出現(xiàn)在發(fā)電領(lǐng)域。從國家統(tǒng)計(jì)局《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2017》的2016年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，風(fēng)力發(fā)電加太陽能發(fā)電的裝機(jī)容量已經(jīng)接近總裝機(jī)容量的15%，并且由于各地區(qū)的風(fēng)力資源的太陽日照資源的差異，西部省區(qū)這個(gè)比例還會(huì)更高，在這種情況下，電網(wǎng)輸電企業(yè)發(fā)出了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電是垃圾電，沒法用的聲音，對(duì)這兩種電接入電網(wǎng)有較大的抵觸心理。
什么原因竟會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電被如此看低呢?本文將深究其緣由，同時(shí)探索風(fēng)電、光伏能否有更好的出路。
特征分析
風(fēng)電發(fā)電-間歇性
風(fēng)力發(fā)電，是由自然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)機(jī)的葉片，葉片帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械動(dòng)能，然后傳動(dòng)軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)在把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。而由于風(fēng)的間歇性的特點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電輸出的電能也具有間歇性的特點(diǎn)。
下圖為某風(fēng)電場(chǎng)夏季典型日出力負(fù)荷特性曲線，從下圖可看出，風(fēng)力發(fā)電的出力特性具有明顯的間歇性，不能做到平滑輸出。
某風(fēng)電場(chǎng)夏季典型日出力負(fù)荷特性曲線
(來源：皮書數(shù)據(jù)庫)
光伏發(fā)電-隨機(jī)性
光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，光伏發(fā)電功率受陽光強(qiáng)度、角度影響，而陽光與氣候、季節(jié)、區(qū)域強(qiáng)烈相關(guān)，甚至一日內(nèi)的變化也極度明顯，隨機(jī)性強(qiáng)。
佛山某光伏電站典型日發(fā)電功率曲線
用電負(fù)荷-峰谷性
用電負(fù)荷跟隨人們?nèi)粘Ｉ罟?jié)奏變化，上午及下午工作導(dǎo)致高峰，午間回落，下班后由于家庭用電及餐飲服務(wù)業(yè)用電，負(fù)荷下降緩慢，直到晚上休息到達(dá)最低谷。
佛山市電網(wǎng)某典型日負(fù)荷曲線圖
(來源：電器行業(yè)設(shè)計(jì)師)
接入難題
當(dāng)前的使用條件下，電基本是即發(fā)即用，即從電廠發(fā)出來的電，經(jīng)過電網(wǎng)傳輸?shù)接脩?，用電器直接使用，?jīng)過的是源-網(wǎng)-荷三大環(huán)節(jié)，中間沒有存儲(chǔ)的環(huán)境。這就要求發(fā)用電實(shí)時(shí)平衡。因此，大量的風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電接進(jìn)將出現(xiàn)以下問題：
隨機(jī)間歇性輸入沖擊電網(wǎng)
電網(wǎng)要求輸入穩(wěn)定平滑，而風(fēng)電和光伏發(fā)電由于其隨機(jī)間歇性，明顯不能符合此要求。接入后便會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，帶來潛在不安全因素。此外，間歇性會(huì)降低輸電設(shè)備利用率。假設(shè)一個(gè)10MW的光伏電站，電網(wǎng)需要配套建設(shè)10MW輸電線路，但實(shí)際電站輸出功率隨著太陽輻射強(qiáng)度變化，僅在最高峰時(shí)段能達(dá)到10MW。按照歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其等效滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)數(shù)每天只有3-5小時(shí)，輸電設(shè)備利用率在3/24-5/24之間，造成資源浪費(fèi)。
逆調(diào)峰增加電網(wǎng)調(diào)峰難度
從上節(jié)的用電負(fù)荷曲線我們可以知道，用電負(fù)荷并不是一條平穩(wěn)的直線，是有峰谷特性的。在風(fēng)力和光伏等可再生能源廣泛應(yīng)用之前，我國發(fā)電主要是依賴火電和水電。為了達(dá)到發(fā)電與用電的實(shí)時(shí)平衡，主要是通過調(diào)節(jié)水電(包括抽水蓄能電站)和調(diào)峰電站的出力來適應(yīng)負(fù)荷的變化。也就是通過調(diào)節(jié)相對(duì)可控的發(fā)電端來適應(yīng)用電負(fù)荷的變化。但這也不是一件容易的事情，調(diào)節(jié)水電出力雖然相對(duì)容易，但是建設(shè)水電站需要滿足天然的地理?xiàng)l件，并不是所有地方都能建水電站的。而對(duì)于火電站，穩(wěn)定滿負(fù)荷輸出是其最適合的工作方式，但并不擅長(zhǎng)做調(diào)峰，強(qiáng)行用其做調(diào)峰都是以降低效率和降低利用小時(shí)數(shù)為代價(jià)的，并且其調(diào)峰速率也比較低。
如果我們把風(fēng)力發(fā)電的出力曲線與用電負(fù)荷曲線放在同一個(gè)圖中(如下圖)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的逆調(diào)峰特性，即風(fēng)力發(fā)電功率大的時(shí)段是用電負(fù)荷低的時(shí)段，而風(fēng)力發(fā)電功率小的時(shí)段卻是用電負(fù)荷高峰時(shí)段。這就更進(jìn)一步增加的電網(wǎng)的調(diào)峰難度。
風(fēng)電及用電負(fù)荷曲線比對(duì)
(來源：電器行業(yè)設(shè)計(jì)師)
從一端不可控變兩端不可控
電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，用電端的負(fù)荷變化不可控，由相對(duì)可控的發(fā)電端調(diào)節(jié)來適應(yīng)。加入風(fēng)電和光伏后，導(dǎo)致了發(fā)電端也成為了一個(gè)不可控的輸入，這更進(jìn)一步加大了對(duì)電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行的沖擊，增加了調(diào)峰的難度。
資源與負(fù)荷區(qū)域錯(cuò)位
由國家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站可查得我國各主要城市的日照時(shí)數(shù)，根據(jù)2016年數(shù)據(jù)，可制作以下更為直觀的全國日照時(shí)數(shù)熱力圖。因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)局只有省會(huì)城市的數(shù)據(jù)，我們就直接以省會(huì)城市數(shù)據(jù)代表整個(gè)省，雖然不是很準(zhǔn)確，但是基本能說明問題。從熱力圖我們可以看出，光照資源豐富的地區(qū)主要位于西部和北部，而華中和東南地區(qū)則相對(duì)比較少。
光照資源分布熱力圖(因統(tǒng)計(jì)局未提供臺(tái)灣地區(qū)日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)，故臺(tái)灣地區(qū)未著色)
同樣，從國家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站可查得2016年分地區(qū)電量消費(fèi)數(shù)據(jù)，使用該數(shù)據(jù)可制得以下用電量的全國熱力圖。從下圖我們可以看出，用電量大的地區(qū)主要集中在東部沿海的江浙及廣東地區(qū)。
用電量分布熱力圖(因統(tǒng)計(jì)局未提供臺(tái)灣地區(qū)用電量數(shù)據(jù)，故臺(tái)灣地區(qū)未著色)
對(duì)比上述光照資源和用電量的熱力圖，我們可以看出日照資源豐富的地區(qū)主要集中在西部和北部省區(qū)，與用電量大的東南沿海省區(qū)并不重合。對(duì)于風(fēng)力資源因受影響因素較多，難以找到詳細(xì)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。但從已開發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)看，資源豐富且開發(fā)成本較低的地區(qū)也是集中在西部和北部，東部沿海有部分地區(qū)風(fēng)力資源雖然豐富，但主要集中在海島和海上，開發(fā)成本較高。
基于上述地區(qū)間的差異，進(jìn)一步增加了光照和風(fēng)力資源豐富地區(qū)這類清潔能源的裝機(jī)容量比例，更加劇了前面說的幾個(gè)問題，并且在今年來發(fā)生了比較大規(guī)模的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，造成極大的資源浪費(fèi)。
再生資源出路-風(fēng)力和光伏發(fā)電?
既然有這么多問題，為什么還要大力發(fā)展風(fēng)電和光電呢?
當(dāng)前我國超6成是煤炭發(fā)電，而煤炭不可再生，發(fā)電也會(huì)排放出大量的NOX、SO2、粉塵等空氣污染物以及溫室氣體CO2，造成環(huán)境污染。而風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電是除了水力發(fā)電外當(dāng)前最為可行的方案，一是國內(nèi)廠商已逐步掌握核心技術(shù)，形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，可支撐大面積應(yīng)用;二是產(chǎn)能擴(kuò)張，成本快速下降，在資源富集區(qū)域已接近甚至達(dá)到標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)，具備一定的競(jìng)爭(zhēng)力。
如何打破困境
使用儲(chǔ)能平滑輸出
儲(chǔ)能目前主要分為抽水蓄能和化學(xué)電池蓄能。抽水蓄能目前應(yīng)用最成熟，成本相對(duì)較低，但其受地理?xiàng)l件限制，需要有兩個(gè)足夠落差的大容量足水庫，這種區(qū)域寥寥無幾。其次，其調(diào)節(jié)速率是分鐘級(jí)的，調(diào)節(jié)間歇性能力不如化學(xué)電池，更適合日周期的峰谷調(diào)節(jié)。
化學(xué)電池儲(chǔ)能發(fā)展迅速，可達(dá)到毫秒級(jí)的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度，但成本還非常高昂，循環(huán)次數(shù)也不夠理想。若用于削峰填谷，其收益還不足以彌補(bǔ)成本的投入。更適用于平滑風(fēng)力和光伏間歇性輸出的場(chǎng)合，僅需要較低容量便可滿足需求。
分布式光伏和風(fēng)力發(fā)電
從前面的章節(jié)我們知道，東部沿海地區(qū)的光照資源并不豐富，負(fù)荷中心附近的風(fēng)力資源也不豐富，在這些地區(qū)開發(fā)大規(guī)模的光伏電站和風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電上網(wǎng)，在經(jīng)濟(jì)上并不劃算。因此在這些地區(qū)風(fēng)力和光伏發(fā)電的比例并不高，相比資源豐富的地區(qū)還有較大的容量空間。但另一方面，這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，用電負(fù)荷密度高。如果在具有大面積平整屋頂?shù)纳虡I(yè)樓宇或工廠樓頂安裝光伏板發(fā)電，發(fā)出來的電自己使用，則其收益就不是按照上網(wǎng)標(biāo)桿電價(jià)0.4元/kwh了，而是工商業(yè)電價(jià)0.8元/kwh甚至更高了，這樣的場(chǎng)景，也就是分布式光伏發(fā)電，自發(fā)自用余電上網(wǎng)。而工商業(yè)因其用電負(fù)荷大，在工作日光伏發(fā)出的電是能100%自己消納的，總體自用比例能達(dá)到90%以上。這樣其經(jīng)濟(jì)性變得可行了。
以珠海某商業(yè)園區(qū)建設(shè)屋頂分布式光伏為例，其電價(jià)是0.8元，回收期大約是8年，在20年的壽命周期中，前10年的年化收益率都超過10%，優(yōu)于一般的金融產(chǎn)品的收益。分布式風(fēng)力發(fā)電也與此類似。
此外，分布式發(fā)電的發(fā)電端緊挨著用電端，沒有了遠(yuǎn)距離輸電損耗，可謂一舉多得。
建設(shè)特高壓長(zhǎng)途輸電線
資源與負(fù)荷的區(qū)域錯(cuò)位，最簡(jiǎn)單直接的解決辦法就是將富集區(qū)資源運(yùn)送到負(fù)荷中心。而風(fēng)力資源和光照資源只能通過轉(zhuǎn)換成電能后傳輸?shù)截?fù)荷中心。近年來我國發(fā)展起來的特高壓輸電技術(shù)，將輸電電壓提高到800kv以上，使得上千公里以上遠(yuǎn)距離輸電的損耗大幅下降，達(dá)到經(jīng)濟(jì)適用水平，為將風(fēng)力光照資源地區(qū)的電力輸送到負(fù)荷中心區(qū)域提供技術(shù)條件。因此，建設(shè)特高壓長(zhǎng)途輸電線路，可在一定程度上緩解資源與負(fù)荷區(qū)域錯(cuò)位的矛盾。
結(jié)語
從能源安全、資源稟賦、環(huán)保低碳等多個(gè)角度看，我們都需要更具前景的可再生能源發(fā)電方式。雖然目前風(fēng)電和光伏發(fā)電方式還存在問題，但機(jī)遇總是伴隨著困難而來。政策層面已在鼓勵(lì)儲(chǔ)能和分布式發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)，而多條特高壓輸電線路的建設(shè)，也正是解決資源與負(fù)荷區(qū)域錯(cuò)位的具體措施。
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