隨著可再生能源的應用越來越廣泛，風力、太陽能這類清潔低碳無汙染排放的綠色能源越來越多的出現在發電領域。從國家統計局《中國統計年鑑2017》的2016年數據統計結果來看，風力發電加太陽能發電的裝機容量已經接近總裝機容量的15%，並且由於各地區的風力資源的太陽日照資源的差異，西部省區這個比例還會更高，在這種情況下，電網輸電企業發出了風力發電、光伏發電是垃圾電，沒法用的聲音，對這兩種電接入電網有較大的牴觸心理。
什麼原因竟會導致風力發電和光伏發電被如此看低呢？本文將深究其緣由，同時探索風電、光伏能否有更好的出路。
特徵分析
風電發電-間歇性
風力發電，是由自然風吹動風機的葉片，葉片帶動傳動軸轉動，把風的動能轉變成機械動能，然後傳動軸帶動發電機的轉子轉動，發電機在把機械能轉化為電能。而由於風的間歇性的特點，導致風力發電輸出的電能也具有間歇性的特點。
下圖為某風電場夏季典型日出力負荷特性曲線，從下圖可看出，風力發電的出力特性具有明顯的間歇性，不能做到平滑輸出。
某風電場夏季典型日出力負荷特性曲線
光伏發電-隨機性
光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。在實際應用中，光伏發電功率受陽光強度、角度影響，而陽光與氣候、季節、區域強烈相關，甚至一日內的變化也極度明顯，隨機性強。
佛山某光伏電站典型日發電功率曲線
用電負荷-峰谷性
用電負荷跟隨人們日常生活節奏變化，上午及下午工作導致高峰，午間回落，下班後由於家庭用電及餐飲服務業用電，負荷下降緩慢，直到晚上休息到達最低谷。
佛山市電網某典型日負荷曲線圖
接入難題
當前的使用條件下，電基本是即發即用，即從電廠發出來的電，經過電網傳輸到用戶，用電器直接使用，經過的是源-網-荷三大環節，中間沒有存儲的環境。這就要求發用電實時平衡。因此，大量的風力發電和光伏發電接進將出現以下問題：
隨機間歇性輸入衝擊電網
電網要求輸入穩定平滑，而風電和光伏發電由於其隨機間歇性，明顯不能符合此要求。接入後便會對電網產生衝擊，帶來潛在不安全因素。此外，間歇性會降低輸電設備利用率。假設一個10MW的光伏電站，電網需要配套建設10MW輸電線路，但實際電站輸出功率隨著太陽輻射強度變化，僅在最高峰時段能達到10MW。按照歷史統計數據，其等效滿負荷發電時數每天只有3-5小時，輸電設備利用率在3/24-5/24之間，造成資源浪費。
逆調峰增加電網調峰難度
從上節的用電負荷曲線我們可以知道，用電負荷並不是一條平穩的直線，是有峰谷特性的。在風力和光伏等可再生能源廣泛應用之前，我國發電主要是依賴火電和水電。為了達到發電與用電的實時平衡，主要是通過調節水電（包括抽水蓄能電站）和調峰電站的出力來適應負荷的變化。也就是通過調節相對可控的發電端來適應用電負荷的變化。但這也不是一件容易的事情，調節水電出力雖然相對容易，但是建設水電站需要滿足天然的地理條件，並不是所有地方都能建水電站的。而對於火電站，穩定滿負荷輸出是其最適合的工作方式，但並不擅長做調峰，強行用其做調峰都是以降低效率和降低利用小時數為代價的，並且其調峰速率也比較低。
如果我們把風力發電的出力曲線與用電負荷曲線放在同一個圖中（如下圖），我們就會發現風力發電的逆調峰特性，即風力發電功率大的時段是用電負荷低的時段，而風力發電功率小的時段卻是用電負荷高峰時段。這就更進一步增加的電網的調峰難度。
風電及用電負荷曲線比對
從一端不可控變兩端不可控
電網結構中，用電端的負荷變化不可控，由相對可控的發電端調節來適應。加入風電和光伏後，導致了發電端也成為了一個不可控的輸入，這更進一步加大了對電網平穩運行的衝擊，增加了調峰的難度。
資源與負荷區域錯位
由國家統計局網站可查得我國各主要城市的日照時數，根據2016年數據，可製作以下更為直觀的全國日照時數熱力圖。因為統計局只有省會城市的數據，我們就直接以省會城市數據代表整個省，雖然不是很準確，但是基本能說明問題。從熱力圖我們可以看出，光照資源豐富的地區主要位於西部和北部，而華中和東南地區則相對比較少。
光照資源分佈熱力圖（因統計局未提供臺灣地區日照時數數據，故臺灣地區未著色）同樣，從國家統計局網站可查得2016年分地區電量消費數據，使用該數據可製得以下用電量的全國熱力圖。從下圖我們可以看出，用電量大的地區主要集中在東部沿海的江浙及廣東地區。
用電量分佈熱力圖（因統計局未提供臺灣地區用電量數據，故臺灣地區未著色）
對比上述光照資源和用電量的熱力圖，我們可以看出日照資源豐富的地區主要集中在西部和北部省區，與用電量大的東南沿海省區並不重合。對於風力資源因受影響因素較多，難以找到詳細的相關統計數據。但從已開發的風電場數據統計看，資源豐富且開發成本較低的地區也是集中在西部和北部，東部沿海有部分地區風力資源雖然豐富，但主要集中在海島和海上，開發成本較高。
基於上述地區間的差異，進一步增加了光照和風力資源豐富地區這類清潔能源的裝機容量比例，更加劇了前面說的幾個問題，並且在今年來發生了比較大規模的棄風棄光現象，造成極大的資源浪費。
再生資源出路-風力和光伏發電？
既然有這麼多問題，為什麼還要大力發展風電和光電呢？
當前我國超6成是煤炭發電，而煤炭不可再生，發電也會排放出大量的NOX、SO2、粉塵等空氣汙染物以及溫室氣體CO2，造成環境汙染。而風力發電和光伏發電是除了水力發電外當前最為可行的方案，一是國內廠商已逐步掌握核心技術，形成了完整的產業鏈，可支撐大面積應用；二是產能擴張，成本快速下降，在資源富集區域已接近甚至達到標杆上網電價，具備一定的競爭力。
如何打破困境
使用儲能平滑輸出
儲能目前主要分為抽水蓄能和化學電池蓄能。抽水蓄能目前應用最成熟，成本相對較低，但其受地理條件限制，需要有兩個足夠落差的大容量足水庫，這種區域寥寥無幾。其次，其調節速率是分鐘級的，調節間歇性能力不如化學電池，更適合日週期的峰谷調節。
化學電池儲能發展迅速，可達到毫秒級的調節響應速度，但成本還非常高昂，循環次數也不夠理想。若用於削峰填谷，其收益還不足以彌補成本的投入。更適用於平滑風力和光伏間歇性輸出的場合，僅需要較低容量便可滿足需求。
分佈式光伏和風力發電
從前面的章節我們知道，東部沿海地區的光照資源並不豐富，負荷中心附近的風力資源也不豐富，在這些地區開發大規模的光伏電站和風電場發電上網，在經濟上並不划算。因此在這些地區風力和光伏發電的比例並不高，相比資源豐富的地區還有較大的容量空間。但另一方面，這些地區經濟發達，用電負荷密度高。如果在具有大面積平整屋頂的商業樓宇或工廠樓頂安裝光伏板發電，發出來的電自己使用，則其收益就不是按照上網標杆電價0.4元/kwh了，而是工商業電價0.8元/kwh甚至更高了，這樣的場景，也就是分佈式光伏發電，自發自用餘電上網。而工商業因其用電負荷大，在工作日光伏發出的電是能100%自己消納的，總體自用比例能達到90%以上。這樣其經濟性變得可行了。
以珠海某商業園區建設屋頂分佈式光伏為例，其電價是0.8元，回收期大約是8年，在20年的壽命週期中，前10年的年化收益率都超過10%，優於一般的金融產品的收益。分佈式風力發電也與此類似。
此外，分佈式發電的發電端緊挨著用電端，沒有了遠距離輸電損耗，可謂一舉多得。
建設特高壓長途輸電線
資源與負荷的區域錯位，最簡單直接的解決辦法就是將富集區資源運送到負荷中心。而風力資源和光照資源只能通過轉換成電能後傳輸到負荷中心。近年來我國發展起來的特高壓輸電技術，將輸電電壓提高到800kv以上，使得上千公里以上遠距離輸電的損耗大幅下降，達到經濟適用水平，為將風力光照資源地區的電力輸送到負荷中心區域提供技術條件。因此，建設特高壓長途輸電線路，可在一定程度上緩解資源與負荷區域錯位的矛盾。
結語
從能源安全、資源稟賦、環保低碳等多個角度看，我們都需要更具前景的可再生能源發電方式。雖然目前風電和光伏發電方式還存在問題，但機遇總是伴隨著困難而來。政策層面已在鼓勵儲能和分佈式發電項目的建設，而多條特高壓輸電線路的建設，也正是解決資源與負荷區域錯位的具體措施。
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