为何风电和光伏发电被称为垃圾电？

原创： 沈翀

随着可再生能源的应用越来越广泛，风力、太阳能这类清洁低碳无污染排放的绿色能源越来越多的出现在发电领域。从国家统计局《中国统计年鉴2017》的2016年数据统计结果来看，风力发电加太阳能发电的装机容量已经接近总装机容量的15%，并且由于各地区的风力资源的太阳日照资源的差异，西部省区这个比例还会更高，在这种情况下，电网输电企业发出了风力发电、光伏发电是垃圾电，没法用的声音，对这两种电接入电网有较大的抵触心理。

什么原因竟会导致风力发电和光伏发电被如此看低呢？本文将深究其缘由，同时探索风电、光伏能否有更好的出路。

特征分析

风电发电-间歇性

风力发电，是由自然风吹动风机的叶片，叶片带动传动轴转动，把风的动能转变成机械动能，然后传动轴带动发电机的转子转动，发电机在把机械能转化为电能。而由于风的间歇性的特点，导致风力发电输出的电能也具有间歇性的特点。

下图为某风电场夏季典型日出力负荷特性曲线，从下图可看出，风力发电的出力特性具有明显的间歇性，不能做到平滑输出。

某风电场夏季典型日出力负荷特性曲线

（来源：皮书数据库）

光伏发电-随机性

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。在实际应用中，光伏发电功率受阳光强度、角度影响，而阳光与气候、季节、区域强烈相关，甚至一日内的变化也极度明显，随机性强。

佛山某光伏电站典型日发电功率曲线

用电负荷-峰谷性

用电负荷跟随人们日常生活节奏变化，上午及下午工作导致高峰，午间回落，下班后由于家庭用电及餐饮服务业用电，负荷下降缓慢，直到晚上休息到达最低谷。

佛山市电网某典型日负荷曲线图

（来源：电器行业设计师）

接入难题

当前的使用条件下，电基本是即发即用，即从电厂发出来的电，经过电网传输到用户，用电器直接使用，经过的是源-网-荷三大环节，中间没有存储的环境。这就要求发用电实时平衡。因此，大量的风力发电和光伏发电接进将出现以下问题：

随机间歇性输入冲击电网

电网要求输入稳定平滑，而风电和光伏发电由于其随机间歇性，明显不能符合此要求。接入后便会对电网产生冲击，带来潜在不安全因素。此外，间歇性会降低输电设备利用率。假设一个10MW的光伏电站，电网需要配套建设10MW输电线路，但实际电站输出功率随着太阳辐射强度变化，仅在最高峰时段能达到10MW。按照历史统计数据，其等效满负荷发电时数每天只有3-5小时，输电设备利用率在3/24-5/24之间，造成资源浪费。

逆调峰增加电网调峰难度

从上节的用电负荷曲线我们可以知道，用电负荷并不是一条平稳的直线，是有峰谷特性的。在风力和光伏等可再生能源广泛应用之前，我国发电主要是依赖火电和水电。为了达到发电与用电的实时平衡，主要是通过调节水电（包括抽水蓄能电站）和调峰电站的出力来适应负荷的变化。也就是通过调节相对可控的发电端来适应用电负荷的变化。但这也不是一件容易的事情，调节水电出力虽然相对容易，但是建设水电站需要满足天然的地理条件，并不是所有地方都能建水电站的。而对于火电站，稳定满负荷输出是其最适合的工作方式，但并不擅长做调峰，强行用其做调峰都是以降低效率和降低利用小时数为代价的，并且其调峰速率也比较低。

如果我们把风力发电的出力曲线与用电负荷曲线放在同一个图中（如下图），我们就会发现风力发电的逆调峰特性，即风力发电功率大的时段是用电负荷低的时段，而风力发电功率小的时段却是用电负荷高峰时段。这就更进一步增加的电网的调峰难度。

风电及用电负荷曲线比对

（来源：电器行业设计师）

从一端不可控变两端不可控

电网结构中，用电端的负荷变化不可控，由相对可控的发电端调节来适应。加入风电和光伏后，导致了发电端也成为了一个不可控的输入，这更进一步加大了对电网平稳运行的冲击，增加了调峰的难度。

资源与负荷区域错位

由国家统计局网站可查得我国各主要城市的日照时数，根据2016年数据，可制作以下更为直观的全国日照时数热力图。因为统计局只有省会城市的数据，我们就直接以省会城市数据代表整个省，虽然不是很准确，但是基本能说明问题。从热力图我们可以看出，光照资源丰富的地区主要位于西部和北部，而华中和东南地区则相对比较少。

光照资源分布热力图（因统计局未提供台湾地区日照时数数据，故台湾地区未着色）
同样，从国家统计局网站可查得2016年分地区电量消费数据，使用该数据可制得以下用电量的全国热力图。从下图我们可以看出，用电量大的地区主要集中在东部沿海的江浙及广东地区。

用电量分布热力图（因统计局未提供台湾地区用电量数据，故台湾地区未着色）

对比上述光照资源和用电量的热力图，我们可以看出日照资源丰富的地区主要集中在西部和北部省区，与用电量大的东南沿海省区并不重合。对于风力资源因受影响因素较多，难以找到详细的相关统计数据。但从已开发的风电场数据统计看，资源丰富且开发成本较低的地区也是集中在西部和北部，东部沿海有部分地区风力资源虽然丰富，但主要集中在海岛和海上，开发成本较高。

基于上述地区间的差异，进一步增加了光照和风力资源丰富地区这类清洁能源的装机容量比例，更加剧了前面说的几个问题，并且在今年来发生了比较大规模的弃风弃光现象，造成极大的资源浪费。

再生资源出路-风力和光伏发电？

既然有这么多问题，为什么还要大力发展风电和光电呢？

当前我国超6成是煤炭发电，而煤炭不可再生，发电也会排放出大量的NOX、SO2、粉尘等空气污染物以及温室气体CO2，造成环境污染。而风力发电和光伏发电是除了水力发电外当前最为可行的方案，一是国内厂商已逐步掌握核心技术，形成了完整的产业链，可支撑大面积应用；二是产能扩张，成本快速下降，在资源富集区域已接近甚至达到标杆上网电价，具备一定的竞争力。

如何打破困境

使用储能平滑输出

储能目前主要分为抽水蓄能和化学电池蓄能。抽水蓄能目前应用最成熟，成本相对较低，但其受地理条件限制，需要有两个足够落差的大容量足水库，这种区域寥寥无几。其次，其调节速率是分钟级的，调节间歇性能力不如化学电池，更适合日周期的峰谷调节。

化学电池储能发展迅速，可达到毫秒级的调节响应速度，但成本还非常高昂，循环次数也不够理想。若用于削峰填谷，其收益还不足以弥补成本的投入。更适用于平滑风力和光伏间歇性输出的场合，仅需要较低容量便可满足需求。

分布式光伏和风力发电

从前面的章节我们知道，东部沿海地区的光照资源并不丰富，负荷中心附近的风力资源也不丰富，在这些地区开发大规模的光伏电站和风电场发电上网，在经济上并不划算。因此在这些地区风力和光伏发电的比例并不高，相比资源丰富的地区还有较大的容量空间。但另一方面，这些地区经济发达，用电负荷密度高。如果在具有大面积平整屋顶的商业楼宇或工厂楼顶安装光伏板发电，发出来的电自己使用，则其收益就不是按照上网标杆电价0.4元/kwh了，而是工商业电价0.8元/kwh甚至更高了，这样的场景，也就是分布式光伏发电，自发自用余电上网。而工商业因其用电负荷大，在工作日光伏发出的电是能100%自己消纳的，总体自用比例能达到90%以上。这样其经济性变得可行了。

以珠海某商业园区建设屋顶分布式光伏为例，其电价是0.8元，回收期大约是8年，在20年的寿命周期中，前10年的年化收益率都超过10%，优于一般的金融产品的收益。分布式风力发电也与此类似。

此外，分布式发电的发电端紧挨着用电端，没有了远距离输电损耗，可谓一举多得。

建设特高压长途输电线

资源与负荷的区域错位，最简单直接的解决办法就是将富集区资源运送到负荷中心。而风力资源和光照资源只能通过转换成电能后传输到负荷中心。近年来我国发展起来的特高压输电技术，将输电电压提高到800kv以上，使得上千公里以上远距离输电的损耗大幅下降，达到经济适用水平，为将风力光照资源地区的电力输送到负荷中心区域提供技术条件。因此，建设特高压长途输电线路，可在一定程度上缓解资源与负荷区域错位的矛盾。

结语

从能源安全、资源禀赋、环保低碳等多个角度看，我们都需要更具前景的可再生能源发电方式。虽然目前风电和光伏发电方式还存在问题，但机遇总是伴随着困难而来。政策层面已在鼓励储能和分布式发电项目的建设，而多条特高压输电线路的建设，也正是解决资源与负荷区域错位的具体措施。