1、概述
電力行業(yè)的發(fā)展離不開能源供應(yīng)和。2012 年我國原煤和原油占能源生產(chǎn)總量的比重達(dá)到85.4%，在進(jìn)口能源中同樣以煤炭和石油為主。據(jù)統(tǒng)計，2012 年能源消費(fèi)總量增速從前一年的2.4%降至1.8%。中國大陸能源消費(fèi)總量占到當(dāng)年新增能源消費(fèi)總量的21.9%，增速達(dá)7.4%；煤炭占當(dāng)年煤炭消費(fèi)總量的份額達(dá)到50.2%，成為消費(fèi)世界煤炭半數(shù)以上的國家，石油凈進(jìn)口量也占據(jù)了增量的86%。
目前，這些傳統(tǒng)能源日益枯竭，國內(nèi)環(huán)境問題日益嚴(yán)重，發(fā)展新能源已成為我國乃至世界能源戰(zhàn)略的主流。新能源不僅包括風(fēng)能、太陽能和生物質(zhì)能等傳統(tǒng)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(fā)電燃料消費(fèi)增長的主力軍，但非化石燃料將奮起直追。因此，有必要為風(fēng)能、太陽能、頁巖氣和小堆核電等新能源發(fā)電營造適宜的政策環(huán)境，并進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀分析。
2、風(fēng)力發(fā)電
在過去5 年(2009～2013)，風(fēng)電市場規(guī)模幾乎擴(kuò)大了200GW，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)風(fēng)能理事會(GWEC)統(tǒng)計，2013 年風(fēng)電累計裝機(jī)容量達(dá)到318.137GW， 年遞增12.5%； 中國大陸風(fēng)電累計裝機(jī)容量已達(dá)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(jī)容量在不斷增大，海上風(fēng)電場的發(fā)展正在逐步商業(yè)化，但存在以下相關(guān)技術(shù)問題亟待解決：
① 大功率中壓變流器。為了能更好地提高風(fēng)能的轉(zhuǎn)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(jī)的標(biāo)稱容量。
② 用于風(fēng)電場的儲能技術(shù)。風(fēng)電場儲能技術(shù)可以在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)兩方面顯著增加風(fēng)力發(fā)電的吸引力，儲能系統(tǒng)在維持電壓、頻率穩(wěn)定方面作用十分明顯。蓄電池儲能系統(tǒng)應(yīng)用，尤其是鋰電池、鎳電池和鉛酸蓄電池三種儲能系統(tǒng)。另外，提高蓄電池的使用壽命、降低維護(hù)成本和采用抽水蓄能、飛輪及超導(dǎo)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(shè)備將是風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(qū)域安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)，離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī)與安裝在附近岸上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，前者所產(chǎn)生的電能會多出近1 倍。
2.2 風(fēng)力發(fā)電經(jīng)濟(jì)分析
火力發(fā)電機(jī)組的初期成本遠(yuǎn)大于風(fēng)電場，使得風(fēng)電場在經(jīng)濟(jì)上更具競爭力。但由于風(fēng)力發(fā)電的間歇性、隨機(jī)性和可調(diào)度性低等特點，大規(guī)模風(fēng)電場接入后對電力系統(tǒng)運(yùn)行會產(chǎn)生較大影響，需加大調(diào)峰電源建設(shè)。調(diào)峰能力不足是我國電網(wǎng)長期存在的問題， 風(fēng)電場大規(guī)模接入則進(jìn)一步增加了調(diào)峰難度。此外，我國各地區(qū)風(fēng)能資源分布不均衡，主要集中于西北地區(qū)，與集中在東部的電力負(fù)荷中心逆向分布，需要解決遠(yuǎn)距離、大規(guī)模輸送問題。目前，不少地區(qū)大規(guī)模風(fēng)電送出、消納的矛盾日益突出，導(dǎo)致風(fēng)電利用效率并不高，“棄風(fēng)”現(xiàn)象凸顯，風(fēng)電設(shè)
備利用小時數(shù)低，嚴(yán)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(guī)模發(fā)展，我國對風(fēng)力發(fā)電實行上網(wǎng)電價政策，要求電網(wǎng)公司按照國家規(guī)定的上網(wǎng)電價進(jìn)行收購。風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益上。
2.2.1 經(jīng)濟(jì)效益
風(fēng)電機(jī)組造價和風(fēng)資源區(qū)等效年利用小時數(shù)對風(fēng)電場的利潤率有顯著影響，隨著風(fēng)電機(jī)組造價的逐步降低，風(fēng)電場的利潤率亦逐步提高。不同的風(fēng)資源區(qū)， 風(fēng)電機(jī)組的等效年利用小時數(shù)不同，則風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)性也不同。
2.2.2 環(huán)境效益
隨著石油、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?jié)摿Φ哪茉粗鸩绞艿街匾?。風(fēng)電的節(jié)能減排效果非常突出，每千瓦時風(fēng)電上網(wǎng)可以節(jié)省大約340g 標(biāo)準(zhǔn)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(qū)受傳統(tǒng)火力發(fā)電項目背后利益鏈的驅(qū)使，風(fēng)電不但沒有享受到全額保障性收購的權(quán)利，甚至還要為火力發(fā)電的計劃電量“調(diào)峰”、“讓路”，從而導(dǎo)致“棄風(fēng)”現(xiàn)象。作為一項基本國策，節(jié)能減排是必須恪守的原則，國家應(yīng)進(jìn)一步鼓勵并扶持風(fēng)力發(fā)電。
3光伏發(fā)電
太陽能發(fā)電技術(shù)可以分為兩大類：一類是太陽能光伏發(fā)電，另一類是太陽能熱發(fā)電，其中太陽能光伏發(fā)電技術(shù)已比較成熟，且發(fā)展迅速，具有良好的前景。據(jù)歐洲光伏行業(yè)協(xié)會(EPIA)統(tǒng)計，2013年光伏發(fā)電系統(tǒng)新增裝機(jī)容量超過37GW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了2012 年29.9GW 的新增裝機(jī)容量， 截至2013 年底累計裝機(jī)容量為136.7GW；中國年度新增裝機(jī)容量11.3GW，居各國家和地區(qū)，年增長136.1%。
3.1 光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展方向
3.1.1 光伏電池
隨著光伏電池相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，光伏電池種類也不斷更新。在各種光伏電池中，應(yīng)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(dǎo)體技術(shù)仍處于實驗室階段，離大規(guī)模市場應(yīng)用還有一定距離。
3.1.2 zui大功率點跟蹤技術(shù)
光伏發(fā)電zui大的特點就是光伏輸出電壓與環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度呈非線性關(guān)系，因此，光伏發(fā)電zui大功率點跟蹤技術(shù)的研究得到廣泛重視。常用的幾種zui大功率點跟隨技術(shù)包括：定電壓跟蹤法、擾動觀測法和電導(dǎo)增量法以及它們的改進(jìn)算法。隨著智能控制理論的發(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(yīng)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(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器的設(shè)計是核心內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)。隨著并網(wǎng)逆變器由單級向多級發(fā)展，電能轉(zhuǎn)換級數(shù)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(jié)構(gòu)。為了提高整個系統(tǒng)的效率，就需要多臺逆變器的統(tǒng)一控制。此外，針對大容量光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，迫切需要解決的技術(shù)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(wǎng)時電流諧波的疊加等。
3.2 經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向
近年來，光伏發(fā)電已成為世界各國普遍關(guān)注和重點發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品成本持續(xù)下降，作為主要原料的太陽能級硅甚至出現(xiàn)了供過于求的現(xiàn)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，對單個并網(wǎng)總裝機(jī)容量不超過6MW 等條件的分布式光伏發(fā)電項目免費(fèi)提供接入服務(wù)，并且全額收購這些項目富余的電量，標(biāo)志著困擾產(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(zhuǎn)換效率達(dá)到了20.44%， 但光電轉(zhuǎn)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(qiáng)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，可以采取下列措施：
① 政府優(yōu)惠補(bǔ)貼。當(dāng)前世界各國主要依靠政府的政策支持，實施稅收優(yōu)惠補(bǔ)貼、退稅補(bǔ)貼和擔(dān)保補(bǔ)貼等措施來緩解光伏產(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(guī)模性經(jīng)濟(jì)，光伏發(fā)電站必須建造得相當(dāng)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(wèi)星發(fā)電和月球電站等太陽能發(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，但隨著科技的發(fā)展，相信這些技術(shù)將大大提高太陽能發(fā)電的效率，提高經(jīng)濟(jì)效益。
④ 開發(fā)材料。用于光伏陣列的原材料主要是結(jié)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(zhuǎn)換效率高出5%～10%。有機(jī)太陽能電池具有成本低、重量輕、可折疊、半透明等優(yōu)點，中科院福建物構(gòu)所研究開發(fā)的有機(jī)太陽能電池材料效率可達(dá)8.31%。隨著電池轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，有機(jī)太陽能電池已經(jīng)顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
4、非常規(guī)天然氣資源———頁巖氣
4.1 發(fā)展現(xiàn)狀
截至2013 年， 擁有可開發(fā)頁巖氣資源的國家達(dá)到41 個，技術(shù)可采資源量達(dá)到7299×1012ft3(1ft3=0.0283m3)。美國走在了頁巖(油)氣開發(fā)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(chǎn)國， 能源對外依存度降至20世紀(jì)80 年代以來的zui低水平，石油進(jìn)口從2005 年占石油消費(fèi)總量的60%降至2012 年的42%， 凈進(jìn)口量從超過1300×104bbl/d 降至800×104bbl/d，60 年來成為煉油產(chǎn)品出口國。鑒于頁巖(油)氣的開發(fā)情況，能源署(IEA) 在2012 年11 月預(yù)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(chǎn)國；到2035 年，將主要依靠包括頁巖氣在內(nèi)的廉價天然氣，實現(xiàn)能源自給自足，滿足產(chǎn)業(yè)和發(fā)電的能源需求。
美國能源情報信息署(EIA)稱，中國擁有世界上zui大的頁巖氣儲備， 達(dá)32×1012m3， 超出美國68%。我國國土資源部的預(yù)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(chǎn)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(shù)開發(fā)和商業(yè)發(fā)展。不過與北美相比，我國頁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(shù)的頁巖盆地都有著復(fù)雜、不利于頁巖氣開發(fā)的地理環(huán)境， 比如位于地震活躍區(qū)、頁巖層非常厚等；我國頁巖盆地的總有機(jī)碳含量在0.4%～30%范圍內(nèi)， 有機(jī)質(zhì)成熟度在0.4%～5.0%范圍內(nèi)，因不同的地質(zhì)層和地區(qū)而有很大的不同。
我國已經(jīng)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(nèi)頁巖氣開發(fā)的快速推進(jìn)，在借鑒*技術(shù)及國內(nèi)常規(guī)油氣開采經(jīng)驗的基礎(chǔ)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(yè)，為國內(nèi)頁巖氣的開發(fā)積累了初步經(jīng)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(yù)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(fā)展頁巖氣產(chǎn)業(yè)，國家能源局在2013 年10 月頒布了《頁巖氣產(chǎn)業(yè)政策》。預(yù)計到2015 年，中國可實現(xiàn)頁巖氣的規(guī)模生產(chǎn)。
為節(jié)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(fā)電的國家。目前，國內(nèi)還沒有頁巖氣發(fā)電廠，我國也需要進(jìn)行頁巖氣發(fā)電的示范工程研發(fā)工作。
4.2 經(jīng)濟(jì)分析
頁巖氣單井成本變化很大，與頁巖特點、埋藏深度、技術(shù)熟練程度、工藝配方、井型、水平段長度、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)對美國頁巖開發(fā)成本的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，表2 為2006～2011 年美國國內(nèi)天然氣井口價及進(jìn)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(xué)的數(shù)據(jù)計算， 美國的頁巖氣開發(fā)將處于虧損狀態(tài)；即使按照Scotia Waterous公司的數(shù)據(jù)計算，也是處于盈虧平衡的邊緣，盈利能力并不強(qiáng)。雖然美國頁巖氣開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步大大降低了開發(fā)成本，但從目前情況來看，頁巖氣開發(fā)形勢并不樂觀。為了推動頁巖氣的開發(fā)，美國實施了相應(yīng)的稅收激勵或補(bǔ)貼政策，以德克薩斯州為例，對頁巖氣的開發(fā)免征生產(chǎn)稅，實施3.5 美分/m3的政府補(bǔ)貼。
由于我國頁巖氣開發(fā)還處于起步階段，尚不夠成熟， 對于國內(nèi)頁巖氣開采成本的估算并不準(zhǔn)確。國內(nèi)頁巖氣藏比美國的埋藏更深，參照美國經(jīng)驗可知，國內(nèi)的頁巖氣開采成本將遠(yuǎn)高于現(xiàn)行工業(yè)用天然氣出廠價，如果引入美國的技術(shù)和設(shè)備，高額的技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)同樣會推高頁巖氣開發(fā)成本。2012 年11 月，財政部和國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于出臺頁巖氣開發(fā)利用補(bǔ)貼政策的通知》，2012～2015 年中央財政對頁巖氣開采企業(yè)的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.4 元/m3，地方財政可根據(jù)當(dāng)?shù)仨搸r氣開發(fā)利用情況，對頁巖氣開發(fā)利用給予適當(dāng)補(bǔ)貼。
5、小堆核電
5.1 技術(shù)發(fā)展方向
我國2011 年核能消費(fèi)總量為1950×104t 油當(dāng)量，較2012 年增長16.9%，不到美國當(dāng)年核能消費(fèi)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(xiàn)在設(shè)計上，表現(xiàn)為反應(yīng)堆的一體化系統(tǒng)設(shè)計，用一體化布置取代環(huán)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(shè)備尺寸和重量都大大縮減。目前，壓水堆電站的建設(shè)周期需要60 個月， 而中核集團(tuán)開發(fā)的小堆建設(shè)周期預(yù)計只需要36 個月。
5.1.2 多用途
“多用途”體現(xiàn)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大的市場優(yōu)勢是有利于實現(xiàn)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(jì)性，能適應(yīng)不同用戶的需求。
5.1.3 多選擇
小堆核電是將核蒸汽系統(tǒng)一體化集成為反應(yīng)堆模塊，每個模塊的zui大發(fā)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(jù)廠址的形狀和大小自由組合安放，業(yè)主可以根據(jù)需求，在建廠初期一次性靈活配置裝機(jī)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(dá)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(tǒng)和余熱冷卻系統(tǒng)，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(yīng)導(dǎo)致堆芯無法冷卻。ACP100 取消了主管道， 減少了管道破裂導(dǎo)致的泄漏隱患。同時， 由于ACP100 的整個核能系統(tǒng)都布置在地面下，即使在地震條件下也不會導(dǎo)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(jì)發(fā)展方向
2014 年，國內(nèi)*座采用ACP100 技術(shù)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(yù)計2016 年正式投入商業(yè)運(yùn)行。
從經(jīng)濟(jì)性上講，小堆也具備一定優(yōu)勢， 大堆一次性投資很大，而小堆可采用滾動發(fā)展、資金分階段逐步投入的方式進(jìn)行核電建設(shè)，逐步增加核電站裝機(jī)容量。國內(nèi)小堆項目經(jīng)濟(jì)上還需要評估，但目前來說還無法與大堆相比。開發(fā)模塊式小堆，關(guān)鍵是技術(shù)和設(shè)備制造質(zhì)量， 但我國還沒有這種優(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(jì)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(jì)、綠色經(jīng)濟(jì)是不可逆轉(zhuǎn)的世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，在我國未來能源格局中，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(jīng)濟(jì)發(fā)展階段和新能源發(fā)展特點所決定的。隨著國家對風(fēng)能、太陽能、頁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(qiáng)，新技術(shù)的發(fā)展以及新能源開發(fā)成本的降低、性價比的提高，智能電網(wǎng)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，新能源發(fā)電必將取得長足的進(jìn)步。