1.2　风能、太阳能可再生能源发电的发展现状

太阳每年辐射巨大的能量到达地球表面，尽管说法很多，但具体统计数据不统一。据估算，地球每年接收的太阳能总量为1×1018kW·h（3.6×1025J），我国陆地表面每年接收的太阳辐射能约为50×1015MJ［2］，1971～2000年我国陆地表面年均接收太阳总辐射量相当于1.7万亿吨标准煤。

图1-2是2004年发布的全球能源需求及能源结构预测结果［1］，随着社会的发展，对能源的需求量逐年增加。在能源结构方面，2030年之前，石油、煤炭、天然气的供应量逐渐增加，2030年以后，石油、煤炭、天然气的供应量逐渐减少，可再生能源的比重逐年增加。可再生能源逐渐由辅助能源转变为主导能源。到2050年，风能、太阳能等可再生能源在欧洲能源结构中的比例将超过50％。

由传统产业向战略新兴产业转型是我国经济持续发展的重要途径。我国“十二五”规划制定了包括节能环保、新材料、新能源、新能源汽车、高端装备制造、生物、新一代信息在内的七项优先发展的战略新兴产业。其中节能环保、新材料、新能源、新能源汽车产业都与可再生能源技术与储能技术密切相关。新能源产业将会成为今后经济新的增长点。

广泛利用可再生能源（如太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能等），提高其在能源消费中的比重，是社会发展进步的必然趋势，也是解决能源资源、能源安全的重要途径。近年来，世界各国对风能、太阳能、海洋能等可再生能源的开发利用越来越重视。为了满足人们生产及生活的用电需求，缩减发电站的建设规模，减少投资，提高效率，以及调控可再生能源系统发电和用电时差，保证稳定供电，开发应用大规模高效储能技术是实现未来能源体系变革的基础，是构建智能电网的重要环节。日本福岛大地震引起的核电站事故使得更多的国家加快了普及应用可再生能源的步伐。可再生能源的进一步发展面临着电网接入和消纳问题，使其在能源和电力构成中始终不能占据较大份额。储能技术在很大程度上能够解决新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，使大规模可再生能源发电友好可靠地并入电网，实现能源体系的平稳变革。

各国政府高度重视可再生能源的普及应用，制定了相应的发展规划。德国政府决定，到2020年，可再生能源在整个能源消费中占到35％，到2030年达到50％，到2050年将达到80％。美国能源信息署推测，到2030年，美国电力供应量约40％来自于可再生能源发电。到2020年，日本可再生能源消费将占到总电力消费的20％，2030年将达到34％。我国政府在2006年宣布，到2020年，我国可再生能源在全部能源消费中将达到15％。由此可见，可再生能源正在由辅助能源逐渐转为主导能源。

中国能源资源总量比较丰富，煤炭占主导地位，目前已探明的石油、天然气资源相对不足，油页岩、煤层气等非常规化石能源储量潜力较大。水力资源理论蕴藏量折合年发电量为6019万亿千瓦时，相当于世界水力资源总量的12％，居世界首位［7］。但中国人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右，耕地资源不足，只是世界人均水平的30％［3］，制约了生物质能源的开发。中国能源资源的另一个特点是分布不平衡，总体上是西多东少，北多南少。煤炭资源主要分布在华北、西部地区，水力资源主要分布在西南地区，石油、天然气资源主要分布在东、西部地区和海域。而中国主要的能源消费地区集中在东南沿海经济发达地区，资源与能源消费地域存在较为明显的差别。大规模、长距离的北煤南运、北油南运、西气东输、西电东送，是中国能源流向的显著特征和能源运输的基本格局。而且中国的化石能源难以满足到2030年以后经济发展的需要。

化石能源的日益匮乏和环境的日趋恶化，极大地推进了风能、太阳能等可再生能源产业的快速发展。风力发电作为可再生能源技术中发展最快的技术之一，在近十年来取得了突飞猛进的发展。在我国，风电近几年也同样呈现快速增长的趋势，截至2011年8月底，我国风电装机容量达到3924万千瓦，成为全球风电装机规模第一大国。到2020年，我国的风能发电装机容量将达到1.5亿千瓦，太阳能发电将达到2000万千瓦［4］。

太阳能、风能发电因受时间、昼夜、季节等因素影响，具有明显的不连续、不稳定及不可控的非稳态特性。而且风力发电输出功率特性与负荷特性差别也较大，通常白天风小，夜间风大，夏天风小，冬天风大，具有明显的反调峰特性。大规模风电并网，由于风力发电输出功率的波动导致电网系统的稳定运行受到影响，必须配置相应的有功调节能力的电力储存设备，以保障电网系统的安全可靠运行。目前电网采取部分火电机组停机/启动和弃风进行电网调峰，增加了运行成本，浪费了风力资源。我国以煤电为主的电力结构长期难以改变，电力品种单一，调峰手段有限，风电的大规模发展不仅进一步加重了电网系统调峰的困难，而且电网运行经济性也大幅度降低。风力发电的非稳态特性还会对电网的电压、频率、谐波等电能质量造成不良影响，严重时会危害电网负荷的安全稳定运行。特别是当风电装机容量占电网总装机容量比例越来越高时，风力发电并网的非稳态特性就更容易对电网及用电负荷的安全运行造成不良冲击。在目前电网调峰能力有限的情况下，只能采用弃风手段来保证电网的安全运行，这样不仅浪费了大量风力资源，而且降低了风电场的经济效益。各地风电场的风力大小和变化规律不同，因此，风力发电的输出变化也不同。而且不同地区的用电负荷变化也不尽相同。通过在风力发电侧合理配置适当规模电池储能系统，可以有效发挥储能电站对风力发电的调幅、调频作用，实现平抑风电功率波动，提高风力发电的可预测性和可调度性，减少大规模风电并网对电网的不利影响，提高风能发电的利用效率。下面就近年来国内外太阳能发电和风能发电的发展情况加以介绍。

1.2.1　光伏电池发电发展现状

2011年是太阳能光伏电池市场迅猛发展的一年，全球范围内约有30GW装机容量投入运行，使太阳能光伏发电装机容量总量上升了74％，全球太阳能光伏发电装机容量达到70GW［5］。图1-3给出了REN21（Renewable Energy Policy Networkforthe21st Century）统计的1995～2011年期间，全球太阳能光伏电站总装机容量的变化［11］，自2006年以来，全球太阳能光伏发电装机容量的增速明显加快。

在2011年，太阳能光伏发电装机容量增幅超过1GW的国家有6个，太阳能光伏发电总装机容量前5位的国家为德国、意大利、日本、西班牙和美国，而太阳能光伏发电人均装机容量排名领先的国家是德国、意大利、捷克、比利时和西班牙［6］。欧盟再次主导全球太阳能光伏发电市场，仅意大利和德国这两个国家就占了2011年新增太阳能光伏发电总量的57％。欧盟2011年新装机约17GW，入网接近22GW，到2011年末总装机容量达51GW，约占全球的3/4，其中投入运行部分能够满足超过1500万欧洲居民的用电需求（图1-4）。同时，太阳能光伏发电装机发电量占2011年欧盟新能源总量的47％，超越了其他形式的可再生能源［7］。

除欧洲之外，中国、美国、日本和澳大利亚的增长也很快，分别为2.1GW、1.9GW、1.3GW和0.8GW［6］。日本太阳能光伏发电运行总量居世界第三位。在美国，价格和各种政策因素使光伏总产能翻倍，达到4GW［6］。其中，加利福尼亚州居首（占总量的29％），而后是新泽西州（17％）和亚利桑那州（15％）［8］。在应用领域，工业占最大份额（43％），其次是公用事业（41％）和住宅用光伏（16％）。中国的位次从第八位上升至第六位，2011年其光伏产能翻了两番，总量达到3.1GW，成为亚洲地区的主要光伏市场，支撑了2011年该地区50％的需求［9］。

太阳能光伏发电项目不仅数目增加，其规模也不断扩大。截至2012年3月，欧洲、北美和亚洲至少有12个国家已出现了规模超过20MW的光伏电站项目。德国更是处于领先地位，甚至出现了1.1GW的超大项目，而西班牙和美国分别实施了480MW和338MW的建设项目［10］。中国也实施了较大规模的太阳能光伏发电项目，如中国青海的200MW项目［11］，以及2011年初入网运行的西藏10MW项目，该项目为目前全球最大的入网光伏项目［12］。此外，建筑一体化太阳能光伏发电（BIPV）项目的发展势头也很好，尽管经济因素影响了其施工和建设进度，但2010年此类项目新增1.2GW，全球BIPV年均增长率达到了56％。

过去十年间，太阳能光伏电池生产的领先者已由美国相继转向日本和欧洲，现在正转向中国。截至2011年，全球排名前15位的太阳能光伏电池制造商中有11个来自亚洲国家和地区，其中9个来自中国大陆和中国台湾。2011年，中国大陆和中国台湾的太阳能光伏电池产能占全世界的61％（2010年为50％），而欧洲和日本分别降至14％和5％。美国的硅片和电池产能也都有所下降，但电池模块产量保持平稳，太阳能光伏电池产量占市场份额降至4％，其中32％为薄膜电池［6］。

中国国家能源局2012年2月16日在其官网公布，2011年，全球新增太阳能发电装机容量约2800万千瓦，同比新增1100万千瓦，相当于2009年底以前全球太阳能发电累计装机容量。截至2011年底，全球太阳能发电累计装机容量达到6900万千瓦。我国2011年新增太阳能发电装机容量约220万千瓦，当年新增量位居世界第三位，占全球太阳能发电新增装机容量的7％左右［13］。《2012—2016年中国太阳能光伏发电产业投资分析及前景预测报告》指出，截至2011年底，中国太阳能光伏发电累计装机容量达300万千瓦［14］。

1.2.2　风能发电发展现状

2011年全球新增风能发电装机容量为40GW，高于其他任何可再生能源，使风能发电总装机容量提高了20％，达到238GW（图1-5）［6］。前10位国家拥有的风能发电装机容量约占全球总量的87％，新增容量最多的国家是中国、美国、印度、德国、英国以及加拿大。欧盟占全球风能发电市场的23％和总产能的41％。

2011年中国风电新装机容量为17.6GW，约占全球市场的44％，但略低于2010年，使2011年成为中国新增风能发电装机容量首次下降的年份（图1-6）［6］。其主要原因在于政府在一些风电场出现问题后对新项目的审批更加严格。即便如此，截至2011年末，中国风电装机总量已接近62.4GW，超过全球总量的1/4，是5年前的24倍多。2011年，中国风电装机容量超过1GW的省区有13个，其中内蒙古约占28％，其后依次是湖北（11％）、甘肃（8.7％）和辽宁（8.4％）。

美国2011年新增风能发电装机容量为6.8GW，可以满足200万美国家庭的用电需求，使美国风能发电装机总量达到47GW。如此强劲的发展势头源于联邦政府一些主要优惠政策即将到期，风电企业纷纷赶末班车。得克萨斯州有接近10.4GW的风能发电装机容量，超过整个美国总量的1/5［15］。2011年新增装机容量最多的州依次为加利福尼亚州（920MW）、伊利诺伊州（693MW）和艾奥瓦州（647MW）［15］。自2007年以来，风能发电已占美国新增发电量的35％，超过煤电与核电总和的2倍。

欧盟2011年新增风能发电装机容量约9.6GW，使该地区的风能发电装机总量接近94GW（相当于全世界2007年的总量）［6］。与2010年相同，风能发电装机容量占欧盟地区新发电量的第三位（21.4％），低于太阳能和天然气［7］。但越来越多的欧盟国家在实施风能发电项目，风能发电占该地区总发电量的比例已从2000年的2.2％上升到2011年末的10.5％［7］。德国是欧盟地区最大的风能市场，在2011年新增2GW的装机容量，总量达29.1GW，风能发电量达到46.5TW·h［16］。

2011年末全球风机装机总量足够支撑2％～3％的电能消耗，而欧盟的装机容量则可满足该地区6.3％的用电需求［7］。在另外一些国家，风机供电比例更高，如丹麦接近26％，西班牙15.9％，葡萄牙15.6％，爱尔兰12％，德国7.6％［7］。德国四个州的上述比例在2011年更是高达46％以上。2011年美国的风能发电满足了全国2.9％的用电需求，有五个州该比例超过10％，南达科他州甚至超过22％，艾奥瓦州也接近19％。全球10大风机制造商占据了全球风机市场的80％，其中4家来自欧洲，4家来自中国，1家来自印度，还有1家来自美国。

发展大型风机的趋势也开始恢复，2011年市场上推出的风机平均规模为1.7MW；近海风机的平均规模为3.6MW，比2010年提高20％。比较受欢迎的风机规模，在英国是2.3MW，德国是2.1MW，美国是2MW，中国是1.5MW，印度是1.1MW。多数制造商提供的风机规模在4.5～7.5MW范围内，而7.5MW是目前市场上风机的最大规模［6］。