重要性及分类：7.1可再生能源发电

电力系统从1880年以后一个多世纪的发展历史，也是人类社会从蒸汽时代进入电气时代的历史。从20世纪中后期开始，以电子技术为基础的信息技术蓬勃发展，把人类社会带入了信息时代。电力系统和电力网络的出现，使包括汽车和计算机在内的其他20世纪大部分技术创新成为可能。人类的工业生产和社会生活都是建立在电力系统基础上的。大规模集中生产的电力，经远距离输送，满足分散用户的实时需求，这一过程通过集中调度来控制。为了提高电力系统运行的经济性和可靠性，长期以来，电气工程师们致力于提高电力系统的自动化水平。自动化技术和IT技术的发展对电力系统的技术升级起到了决定性的作用，并且从20世纪80年代以来不断改造电力这一“古老”行业，使它不断保持活力，能够继续作为经济和社会的基础而支撑人类文明的持续发展。

人类文明的发展史是一个不断适应自然变化并做出选择的历史。在21世纪，能源和环境问题成为人类面临的两个最大挑战，而它们又是密切联系的两个问题。自从工业革命大量燃烧化石能源开始，大气中的二氧化碳浓度急剧升高的记录与全球温度升高的记录同步。越来越多的研究发现了人类活动排放温室气体与全球气候变化之间的联系，以及由此造成的经济社会影响。减少温室气体排放已在全球范围内达成共识，1997年生效的《京都议定书》对推动全球范围温室气体减排的合作发挥了重要作用。从应对气候变化与经济发展策略的考虑出发，2003年英国政府首先提出“低碳经济”的概念。欧盟范围内的以风力和光伏为代表的清洁能源发电技术迅速发展。碳交易制度开始出现，并且交易额迅速增加。有预测认为10年内全球碳交易市场容量将超过石油。目前在国际政治经济领域，应对气候变化，实现温室气体减排已经成为不可回避的主题。2007年1月10日，欧盟委员会宣布了一项由欧洲理事会（European Council）签署通过的能源计划，到2020年，欧盟单方面的温室气体排放量要减少20％，如果在全球范围内能达成协议，温室气体排放量可减少30％，而让可再生能源的比重在欧盟能源结构中的比例达到20％，是实现这一目标的关键。2009年12月联合国在丹麦哥本哈根举行的应对气候变化国际会议，为《京都议定书》之后的全球气候减排道路奠定了基础，因而被认为是一次重要的国际会议。

我国自从1978年改革开放以来，尤其是2001年加入世界贸易组织以来，经济快速发展，成为制造业大国。同时，资源和能源的消耗也迅速增加，2006年我国已经超过美国成为世界上最大的碳排放国。从国家经济发展战略角度来看，高碳排放标志着经济的发展是以资源和能源的高投入为代价的。对我国这样一个拥有13亿人口的发展中大国，按照这种高碳排放的发展路径去实现现代化和人民生活富裕，不可避免地会受到资源供给的硬约束。同时，随着工业化和城市化加速推进，为环境污染付出的代价越来越大，将直接威胁人民生存条件和经济社会的可持续发展。因此，在我国政府提出的“科学发展”战略中，转变经济增长方式，实现经济增长与人民生活和环境改善相协调成为一个重要内容。我国政府于2005年颁布了《可再生能源法》，大力推动了清洁能源和节能减排技术的研发和使用。此后，我国的风电装机连续4年保持超过100％的增长。而光伏发电领域，我国已成为世界上最大的光伏电池及其组件的生产国。

根据图7-1显示的规划预测数据，从2009～2020年，非水电清洁能源的装机将迅速增长。至2020年，风电、光伏发电与核电的装机容量占我国发电总装机的将超过16％。

随着制造商不断提高太阳能和风力发电设备的产量，会使这些技术的成本下降。根据预测，到2030年，在我国的能源中，太阳能将占到8％，而风能将占到12％，核电在电力所占比例将从2％提高到16％，水力发电将从16％提高到19％，而天然气发电也将从1％提高到8％。在经济保持较快的增长速度，能源消耗总量持续增加的情况下，要实现我国

图7-1 2009～2020年中国清洁发电装机预测

图7-2 可再生能源的利用途径

政府承诺的到2020年单位GDP碳排放比2005年下降40％～45％的目标，就必须改变传统的能源生产与使用的方式。由于电力仍然是最高效的二次能源，因此在能源生产和使用方式转型中，电力系统仍将继续发挥基础性的作用，而提高可再生能源在能源结构中的比例是实现这一目标的关键。

地球上可持续发电的主要能源途径如图7-2所示。太阳能是最容易获得的主要可再生能源，被地球表面接收的平均太阳辐射速率是世界一次能源平均速率的8000倍。以目前世界人口计算，相当于人均拥有20MW，这一数字是令人震惊的。(www.xing528.com)

从图7-2中可知，太阳能可通过直接热利用或光伏利用的形式得到应用，或者间接的以风能、波浪能、水能以及生物燃料的形式获得。另外两种能源，考虑其可持续的特性常常被称作可再生能源：一是潮汐能，由太阳和月亮的引力引起，可通过潮堰或潮汐流技术开发利用；二是地热能，来自地球内部的能量，可通过温泉、间歇泉或者钻井的方式获得。这些能源的平均功率只占太阳能辐射的一小部分。

大部分可再生能源可以用来发电，太阳能、地热能及生物质能可用来供热。尽管存在困难和耗费大的难题，但原则上可再生能源仍可以提供与传统能源类似的能源服务，如供暖、制冷、发电，还可转换为运输原料。可再生能源是天然的分布式资源，可以为偏远地区提供电力而无需大量的能量传输系统，这是可再生能源发电的一个优点。

目前广泛应用于发电的可再生能源还有水电、太阳能光伏与热发电、潮汐与潮流发电、波力发电、生物质发电等。

大型水电的开发利用受地理限制，但已获得大规模的开发，根据估算全球已开发20％～25％的大规模水利资源，水电目前约占全球总发电量的20％。从资源量及供电灵活性角度考虑，大型水电是目前最理想的可再生能源。但是大型水电的缺点是前期投资巨大，需要相当长的一段时间才能获得预期收益。水电也会对生态环境造成破坏，导致大部分地区的淹没和人口的迁移。目前许多优势的水力资源都已经被开发利用了。小型水电站输出的瞬变很小，当有突发降雨时会在数小时或数天内发生显著变化。而在全年内不同的时间段里输出的电能与河流的流量成正相关的特性，在北半球，峰值通常出现在冬季，低值出现在夏季。

风力发电技术是低碳经济中一种成本较低的发电技术。风力发电是利用风力机把风能（动能）变成机械能，再通过发电机把机械能转化为电能。并网型风力发电机主要包括恒速恒频风力发电机和变速恒频风力发电机两大类型。目前已安装的风力发电机大部分是笼型异步发电机，属于恒速恒频风力发电机，近年来，随着科学技术的发展，双馈感应风力发电机逐渐得到广泛应用，它属于变速恒频风力发电机。由于风力发电机的驱动力是风能，自然界风是不断变化的，如风速的年变化、季节变化、天气性变化、日变化和秒变化，使得风力发电机发出来的电也具有年变化、季节变化、天气性变化、日变化和秒变化，这些都统称为风电的波动性。由于风电的波动性和风电的高难度预测，对接入的电网会造成不利的影响。

太阳能发电技术主要采用两种技术：一种是太阳能光伏发电系统，另外一种是太阳能热发电系统。前者是通过光伏电池使太阳能转化成电能，后者则将太阳能转化成热能，然后利用热能产生的蒸汽驱动汽轮机发电。太阳能发电是利用光伏电池使用半导体设备将太阳辐射直接转化为电能。尽管实验室组装的光伏电池效率能高于30％，但典型的商业晶体光伏电池效率仅为12％～18％。太阳能热发电系统大多数采用太阳能集热器产生的高温，驱动热机进行能量转换。该技术并不适用于多云或阴天的情况下，因为这时的辐射多为漫射，能量不集中。

潮汐是由月亮和太阳的引力场导致的沿岸潮水的自然涨落。潮汐发电的常用形式有：落潮发电、涨潮发电和双向发电。目前大部分方案建议仅采用落潮发电，虽然潮汐坝有很大的双向流动能力，能够快速地蓄水和泄水，以获取全部的潮汐资源，但实际上这很不经济，也没有足够的空间来安装足够多的水轮机以捕获全部潮汐资源。通常仅有1／3的潮汐能量能被利用，去掉水轮机和发电机的损失，平均电力输出最多是潮汐能量的1／4。潮汐发电具有波动性，因而潮汐发电的主要缺点之一是电力输出的脉动性，对电网的功率平衡具有较大的影响，严重时需要其他发电方式进行替代。潮汐发电其他的缺点是需要大量的基础建设投资、对自然环境的影响和海水的强腐蚀性。

在波力发电中，波能向电能转化需要一种装置来拦截波浪并将部分能量转化为机械能，然后再转化为电能。与风能和光伏技术相比，波能转化技术仍处于起步阶段，各种技术正在开发当中。由于资源特性并为了有效转化，每米装置宽度的波及体积需要达到几十立方米。因此装置尺寸较大，还需承受巨浪的袭击而不被损坏。从实验室波浪水池测试的概念模型到可应用的样机需要相当大的花费，直到最近才有政府和企业的资金投入。

生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电，包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电等。生物质和其他可再生能源很不相同，它能像化石燃料一样存储，在需要的时候用于发电。但与化石燃料不同的是，生物质常受到燃料能量密度的限制。因而，生物质燃料必须在当地生产和使用，因为长距离运输消耗的能量可能会超过燃料本身的能量。这就意味着生物质发电机组和传统电厂相比相对较小（受限于当地燃料供应），因而具有小型分布式发电的特点。