新能源發電在新型電力系統中的應用分析

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

1 新能源發電簡介

新能源與傳統的化石能源相比，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、清潔性等方面的優勢，能夠使我國順利擺脫對傳統化石能源的依賴，實現能源安全和經濟社會的可持續發展。新能源發電主要是指以風能、太陽能、生物質能等資源進行發電的系統，是對非常規能源的利用手段之一。新能源發電需要先后經歷研發、示范、推廣、規模化發展等多個階段，目前我國的風能、太陽能、生物質能發電已經進入規模化發展階段，其余的發電技術均處于示范推廣階段[1]。

2 新型電力系統的內涵及特征

新型電力系統是以確保能源電力安全為基本前提，以滿足經濟社會高質量發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，以源網荷儲多向協同、靈活互動為堅強支撐，以堅強、智能、柔性電網為樞紐平臺，以技術創新和體制機制創新為基礎保障的新時代電力系統，是新型能源體系的重要組成和實現“雙碳”目標的關鍵載體。新型電力系統具備安全高效、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，共同構建了新型電力系統的“四位一體”框架體系。

3 電力系統中的新能源發電應用分析

3.1 風力發電

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

風力發電技術是將風能通過風輪轉動轉化為機械勢能，再通過發電裝置將機械勢能轉化為電能的技術。風力發電系統的主要組成部分有風輪、機艙、塔架，如圖1所示。在風力發電的過程中，風輪主要負責完成風能與機械勢能之間的轉換，用于風輪葉片制造的材料帶有明顯的高強度以及輕質特性，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]。風力發電技術在長時間運用的過程中，發電裝置很容易受到外界自然因素的影響，引發風輪的腐蝕、開裂等質量問題，需要相關人員定期進行保養以及維護。在風能發電裝置體系中的塔架具備支撐作用，要以風輪直徑、風資源切變指數為參考對塔架高度進行調整，一般而言，塔架的高度控制在70～140m的范圍內，發電機可以將機械勢能轉化為電能，發電機的容量和風輪葉片長度之間有著明顯的正相關關系。

圖1 風力發電機組

3.2 光伏發電

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生電流，這就是光伏發電最為基礎的光電效應（如圖2所示），光伏發電系統就是使用此種效應將太陽能轉化為電能供生產生活使用。目前我國光伏發電技術發展速度極快，光伏組件類型呈現出多元化發展趨勢，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電，但整體的光電轉換效率僅有10%，并且轉換效率會隨著機組運轉時間的延長逐漸下降[3]。聚光光伏組件光電轉換效率相較于晶硅光伏組件優勢明顯，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配套設施，意味著發電成本明顯提高，但同樣也會帶來較大的發電收益和利潤，成為現階段發電系統中備受關注的新能源發電技術。

圖2 光電效應示意圖

3.3 生物質發電

生物質發電技術是將各種生物質經過處理之后轉變為可燃氣體，通過點燃可燃氣體發電。這種發電技術能夠在有效保護生態資源的同時，提高整體的發電效率，并且清潔性優勢也較為明顯。目前自然界內分布的生物質能種類較多，意味著生物質發電技術擁有良好的基礎條件。燃燒發電技術可以在鍋爐中放入一定數量的生物質，在燃燒過程中產生的熱蒸汽，其中包含的熱能也可以逐漸轉化為電能[4]。生物質發電系統的組成部分以內燃機發電機、氣化爐、燃氣凈化器等為主，需要在發電過程中針對生物質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。與傳統的能源直燃發電技術相比，生物質發電技術在可靠性、安全性以及清潔性方面的優勢更加明顯。如果生物質被完全燃燒，完全可以利用凈化裝置和氣化爐、內燃機進行發電。如若生物質尚未被完全燃燒，同樣可以利用氣化爐對于生物質繼續進行燃燒，氣化氣體可以先后經過冷卻、凈化裝置完成發電工作。

在當下生物質發電技術持續發展的背景下，沼氣發電技術應用越發普遍，可以將城市發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，在其集中在厭氧環境下經過發酵處理生成沼氣，隨后將這些沼氣點燃之后轉化為電能。這種技術的應用不僅能夠有效地處理城市在日常生產生活中產生的各種廢物，并且電力能源的供應數量也有所提升。

4 新能源發電大規模發展的痛點和難點分析

4.1 新能源發電具有瞬時性、波動性特點，對電網穩定性造成威脅

新能源發電出力存在隨機性與波動性。常規火電機組的可靠性具有平抑電網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”電網擾動的能力，具有較強的致穩性和抗擾性。相對而言，新能源發電則存在保證出力低、出力分布大、日內功率波動大、季節性偏差等問題。風光具有“極熱無風”、“晚峰無光”的反調峰特性，將給電網帶來15%～30%反調峰壓力，尤其是在極熱極寒無風、連續陰雨等特殊天氣下，對電力系統調節能力要求更高。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中出現的功率不平衡，且難以“穿越”電網擾動，因而具有弱致穩性和弱抗擾性。光伏具有日周期的特性，白天出力高，但在傍晚無法發電時，需要電力系統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電裝機規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、光伏發電等新能源發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建設活動產生土地利用競爭關系，據統計光伏發電系統占地面積大，每1萬千瓦光伏發電占地300畝左右。連片開發的風電場每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“三區三線”，還有采礦權、探礦權，自然保護地，重要交通、管網等基礎設施用地限制。十多年來，我國已經形成較為明確的新能源項目用地規則。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、是否改變地表形態的認定標準等具體要求尚未明確，風電光伏項目開發建設面臨著不小的合規性風險。

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在三北，負荷中心又集中于中東部地區。西北大規模開發新能源所發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，新增規劃高壓輸電通道建設難度大，周期長，嚴重制約了三北地區新能源項目的規模化發展。

5 新能源發電規模化發展措施建議

5.1 加快構建新型電力系統

未來電力系統調節能力需求逐步攀升，并呈現不同時空尺度特性。“十四五”時期，新能源占比逐漸提高，常規電源將逐步轉變為調節性和保障性電源。預計2025年，靈活調節電源占比將達到24%左右。遠期看，構建新型電力系統，對調節能力的需求將更大。新能源成為主體電源之后，其季節性出力特性受天氣影響大，特別是對小時級以上的調節需求將更加突出。需要挖掘源網荷儲各環節的能力，要利用好可中斷負荷、虛擬電廠、跨省跨區交易等調節手段，推進電動汽車、長周期新型儲能、氫儲能的利用。系統調節電源主要包括煤電靈活性改造、調峰氣電、有調節能力的水電、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。不同調節電源在性能、成本和配置要求等方面存在差異，需要綜合考慮各類調節電源特點和應用場景需求，因地制宜合理配置。

5.2 集約節約用地，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定納入國土空間規劃“一張圖”，統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。根據第五次全國荒漠化和沙化監測結果，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電基地建設也難免涉及使用林地、草地等農用地，需要統籌安排。

節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。要嚴格執行土地使用標準，將新能源項目分類分區用地面積嚴格控制在標準范圍內，不得突破標準控制；鼓勵推廣應用節地技術和節地模式，通過技術進步節約用地，新建項目用地節約集約化程度必須達到國內同行業先進水平。農光互補、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地模式。

5.3 多措并舉促消納

面對目前西北地區規劃的大規模的沙漠、戈壁、荒灘新能源項目建設，一是要積極規劃建設西電東送高壓輸電通道，并配套建設調節電源，提高輸電通道利用率；二是要支持鼓勵中東部地區高載能產業向西部轉移，促進西部新能源電力的就地消納，構建國內大循環經濟體系；三是要發展多元化的新型能源體系，促進煤炭、油氣等產業與新能源的融合發展，積極推進新型儲能設施項目建設，提升電網安全穩定運行能力。

6 結語

以風電、光伏發電為代表的新能源發電，是目前技術最為成熟、商業化規模化開發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，開發潛力巨大，面對我國“富煤貧油少氣”的能源資源現狀，為保障國家能源安全，大力開發新能源，助力實現雙碳目標，是目前的共識，也是大勢所趨。但也要看到新能源發電本身的問題和不足，要從政策、技術、成本等方面進行深入研究，逐步解決電能質量差、要素保障難、源網荷不匹配等問題，不斷進行體制機制和科技創新，將新能源打造成我國另一張亮麗名片，助力實現2060年碳中和目標。