中国风电发展路径研究-商立峰.pdf

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1、 中国风电发展路径研究 Research on the development path of wind power in China 学科专业： 物流工程 研 究 生： 商立峰 指导教师： 李汶华 副 教授 企业导师 ： 曾祥云 高级工程师 天津大学 管理与经济学部 二零 一三 年 十二 月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大 学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并

2、表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 摘 要 作为可再生能源 应用 的典型代表，风电在许多国家的能源 战略中被置于优先发展的地位。资源潜力、技术水平、 政策支持等多种因素都显著影响风电发

3、展的路径。如何 在综合考虑这些影响因素的情况下 ，合理确定风电发展的规模和速度，以减少其发展成本， 对于我国政府制定未来风电发展目标和 规划发展路径，具有一定的帮助作用。 本文对影响中国风电发展路径的主要因 素进行回顾和分析，在此基础上将研究内容分为风电总体发展路径和代表性 省份发展趋势。 在对总体发展进行研究时 ，结合学习曲线模型和技术扩散模型建立了使风电发展总成本最小的动态规划模型，对我国 2013-2030 年期 间的风电发展路径进行计算；在对代表性 省份风电发展进行研究时，首先对 2006-2012 年 期间 装机容量发展数据进行分析，并比较各省份发展趋势的异同，然后建立符合各个省份发

4、展情况的 Logistic 模型，根据模型 来 预测 2013-2020 年期间各省 份 风电发展趋势，并进一步分析各省份在今后发展中可能 面临的主要问题和应采取的措施。 研究结果表明：减排目标 的确定 有利于 快速 实现风电发展目标；风电补贴与支持政策应根据经济增长和风电发展情况的变化相应调整；风电学习率对于发展路径的影响相对较小，但对于风电发展成本的影响很大。主要风电省份在未来的发展中应以优化电网基础设施、加强电网消纳能力、提高长距离输电能力、加强远海风电开发及降低开发经济成本为主。 关键 词 ：风电发展， 路径 分析，装机容量，动态规划， Logistic 模型 ABSTRACT As

5、one of the typical forms of renewable energy, wind power development has gained rapidly and been given priority in national energy strategy. The factors such as resource potential, technological progress, policy support will all affect the development path of wind power significantly. To reduce the

6、cost of development, it is important to ascertain the scale and speed of wind power development under a specific goal. This dissertation reviews and analyzes the main factors which affect Chinas wind power development path. On this basis, the research content include wind power overall development p

7、ath and development trend of typical provinces. First of all, we develop a dynamic programming model combining the restraint of the learning curve and the technology diffusion model to study the optimal development path of Chinas wind power from 2013 to 2030 under the perspective of minimum cost; In

8、 the second part, we analyze the wind power installed capacity in selected provinces of China during 2006-2012, and compare similarities and differences of these provinces in wind power development; then the Logistic models are developed according to the characteristics of each province, and these m

9、odels are used for predicting the development trend of wind power in 2013-2020, further analysis and the measures to be taken by different provinces will be given. The results show that: carbon reduction targets significantly impact on wind power development path, and those help to achieve the goal

10、of wind power development; Wind power subsidies and support policies should be adjusted according to economic growth and the wind power development situation; wind power learning rate has a relatively small impact on development path, but great effect on the development cost of wind power. Typical p

11、rovinces should focus on the power grid infrastructure and capacity, meanwhile to improve the ability of long distance transmission, strengthen the development of offshore wind power and reduce the economic costs in the future development. Keywords: wind power development, path analysis, wind power

12、installed capacity, dynamic programming, Logistic model 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景与意义 . 1 1.2 国内外风电发展研究综述 . 2 1.2.1 国内外风电发展历程 . 2 1.2.2 国内外研究综述 . 5 1.2.3 本文主要方法在风电发展研究中的应用 . 7 1.3 本文主要工作及研究框架 . 8 第二章 中国风电产业发展的主要影响因素 . 11 2.1 风电投资与运营成本 . 11 2.2 风能资源分布及开发潜力 . 12 2.3 风电发展政策支持 . 15 2.4 风电相关技术创新 . 18 2.5 本章

13、小结 . 19 第三章 中国总体风电发展路径研究 . 21 3.1 基于动态规划方法的风电发展成本函数 . 21 3.1.1 动态规划模型 . 21 3.1.2 学习曲线模型 . 22 3.1.3 技术扩散模型 . 23 3.1.4 模型约束和参数设定 . 23 3.2 实证分析 . 25 3.2.1 基准情景下的风电发展路径 . 25 3.2.2 主要影响因素灵敏度分析 . 27 3.2.3 情景分析 . 29 3.3 本章小结 . 30 第四章 代表性省份风电发展路径研究 . 33 4.1 研究指标选取 . 33 4.2 模型及主要参数设定 . 35 4.3 实证分析 . 37 4.3.1

14、 历史数据分析 . 37 4.3.2 计算结果分析 . 38 4.3.3 未来发展趋势 . 41 4.4 本章小结 . 42 第五章 总结与展望 . 43 5.1 总结 . 43 5.2 展望 . 44 参考文献 . 45 发表论文和参加科研情况说明 . 49 致 谢 . 50 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景与意义 能源是一个 国家 实现工业化发展的 重要基础 ， 也是经济飞速发展的主要保证 。 自改革开放以来，中国在能源工业领域取得了一系列成绩，并能够满足国民经济快速、平稳、健康发展的需要。 由于中国能源结构具有“富煤、贫油、少气”的特点， 使得以煤炭为主的 传统化石能源在

15、我国的能源消费结构中 占据 较大比重。然而， 传统化石能源 的开采和 燃烧所导致的二氧化碳、 二氧化硫等温室气体排放，加速了气候变化进程，造成严重的环境污染，因此，如何在保证经济高速发展的同时，降低能源消费 给自然环境带来的不利影响，是我国在今后的发展过程中迫切需要解决的问题。 我国能源发展的目标，也将从提高能源效率，逐渐转变为节能改革与创新。在此背景下，大力开发可再生能源，成为了 延缓气候变化，实现社会和经济可持续发展的重要手段 1。 在 现阶段 几种主要 的可再生能源应用形式中，水电已经进入相对成熟的发展阶段，其可开发潜力较其它可再生能源并无 明显 优势，且对生态环境的影响还有待评估；太阳

16、能发电成本相对较高，尚不具备大规模商业化发展的条件；核电开发进程则由于受到福岛核 电站 泄漏等突发事件的影响而有所减缓 2。 因此，风力发电作为风能应用的主要形式 ，近年来成为可再生能源 发电 技术 的首选 ，在国家能源发展战略中的地位日益突出 。 风力发电具有低碳、清洁、高效等优点 ， 且对于国家 优化能源结构，提高能源安全具有 重要 帮助作用，因此在 世界范围内得到广泛应用 3。 中华人民共和国可再生能源法 的颁布，标志着我国能源发展策略 将从过去以 传统化石能源 为主的能源结构逐步过渡为以可再生能源为主 ，并着重于加强国际间合作及 维护 共同利益，调整及优化能源结构，建立一个安全、稳定、

17、经济和清洁的现代能源产业体系。在 2009 年举行的哥本哈根世界气候大会上，我国政府提出了“到 2020 年，中国单位 GDP 碳排放将比 2005 年下降 40%45%”的碳减排 目标，并于 2010 年的坎昆会议将哥本哈根的协议内容法律化，使得我国的承诺更具约束力，同时也加大了实现这一目标的难度。因此，风力发电必将成为我国 今后能源革命中的重要力量。 伴随着风电迅猛发展的同时，也存在不少问题。由于风力发电具有间歇性 和随机性 ，通常在风电场附近需要同时建设一定规模的火电机组，来 提高电网 整体的 稳定性 4。目前我国 已建成的大型风电基地 大 多集中于中西部地区，但这些风电基地周围并非都具

18、有丰富的煤炭与石油资源，因而需要 向当地运输大量的化石能源。此外，中国最主要的电力需求地区为东部沿海省份，只有 建设大量的高第一章 绪论 2 压、特高压电网才能将电力从生产地区输送到需求地区 5。 由于 我国智能电网建设相对 滞后，尽管目前风电 装机容量上升速度较快，但 电网消纳能力不足， 弃风 现象时有发生 6。因此，合理掌握风电发展的 规模和速度 ，避免电力建设投资的大量浪费，是今后风电发展中需要重点关注的问题。 除了对电网建设的积极 推进 与政策 支持 外，国家在电力安装与生产过程中也制定了多项优惠政策，这些扶持政策的出台大大加快了风电发展的速度，但 与 此同时也产生了一些问题。很多企业

19、 在 获取电力建设补贴后， 为降低成本而闲置风力发电设备 ，或压缩风电场工作时 间；还有企业根据煤炭价格而不是 电力市场的需求制定风电的发电计划 7。 如 在 煤炭价格高涨，用电需求并不旺盛的冬季 采用风电，而在用电高峰的夏季，却优先进行火电生产。导致这些问题产生的 很大原因在于 我国对制定风电补贴额度的 合理 性有待加强 ， 过低的补贴无法提高 企业发展风电的积极性，但 补贴过高 尽管能够激励发电企业建设风电场，但容易导致电力建设的套利行为，难以完全达到促进风电发展的初衷 8。由此可见，补贴额度的制定与调整将直接关系到未来我国风电 发展进程，也是 政府及相关 决策者未来制定优惠政策过程中需重

20、点关注的问题。 因此，制定合理、有效的 风电 发展目标和路径，对于我国实现哥本哈根会议上提出的减排目标，优化能源结构，实现能源、经济、环境的协调和可持续发展，具有重要的现实意义。 1.2 国内外风电发展 研究综述 1.2.1 国内外 风电 发展 历程 图 1-1 2011 年世界主要风电国家装 机容量数据 第一章 绪论 3 进入 21 世纪以来，由于受到金融危机、全球气候变暖、能源价格不断攀升等因素的影响 ，世界各国为寻找化石能源的替代品，纷纷 加大了对包括风能在内的可再生 能源 领域 的投资力度 。 如今 ，风能已经成为全球发展最迅速的工业之一。据全球风能理事会 (GWEC)统计， 2011

21、 年 世界 风电 新增 装机容量为 40.561GW，增长率达到 6%， 累计 装机容量 为 237.669GW，增长率达到 21%9。 22 个国家的风电累计装机容量已超过 1GW。 其中，中国、美国和印度占据着新增装机容量排名的前三位， 上述 三个国家在 2011 年的新增装机容量总额占到全球的 67%。而中国、美国和德国则继续占据着累计装机容量排行榜 的前三名 10。 作为世界上最大的能源消费国之一， 美国 对于可再生能源的需求量极大。自1973 年第一次石油危机爆发以来，化石能源枯竭和能源供应安全问题一直是美国在经济和能源发展中遇到的重大挑战。在这一背景下 ，风电作为化石能源的替代品之

22、一逐渐进入到快速发展阶段。从上世纪 80 年代起， 美国政府先后出台了包括投资税收减免在内的多项经济刺激政策来推广风电产业的商业化发展，在此期间 美国风电装机容量大幅提高，到 2011 年其累计装机容量达到 46.919GW。根据美国能源部于 2008 年公布的 风能发展计划来看，到 2030 年美国的风电装机容量将达到 300GW，届时 其发电量 可满足美国电力需求的 20%。以德国、丹麦等为代表的欧盟国家 对于风能产业的发展也极其重视，根据欧洲风能技术平台提出的风能发展目标， 2020 年欧洲 风电装机容量 总和 将达到 180GW，而到 2030年时，风电装机容量将 增加到 300GW，

23、届时风电 将成为欧洲主要的能源类型之一 。丹麦作为 世界 风电 设备制造业 发展 大国 之一，在风电大规模建设及风电技术研究方面具有丰富经验。 第一次石油危机爆发后，丹麦政府就开始着眼于推动风电产业发展 政策的制定 ，仅在 1970 至 1995 年期间，丹麦政府对风电产业的累计补贴就高达 20 亿美元 。 发展风电减免碳税、提供投资补贴、建立国家级风电测试中心等一系列政策措施的出台，极大地刺激了丹麦风电产业的发展。 2007 年，丹麦风力发电量占其全国总体 发电量的比重已达到 20%。丹麦政府计划在 2025年使这一比例提高到 50%。同时，丹麦政府还提出到 2030 年，二氧化碳减排量与

24、1990 年相比降低 50%的目标。 德国地处欧洲北部，风力资源十分丰富且适合风电开发，全国 16 个州中有 15 个已建立风电场。 自 1990 年以来，德国 风电产业发展迅猛，到 2002 年时其累 计装机容量曾位居世界首位 。近年来通过固定电价和投资补贴等激励措施，德国风电发展 始终领先于欧盟各国。 到 2011 年，德国 风电装机容量已达到 29.06GW，并逐步开始致力于发展海上风电。预计到 2030年， 德国 海上风电装机容量将达到 30GW。德国 的 可再生能源 能源发展 目标，是使其 2020 年 可再生能源发电 量 占所有发电 量 的比重达到 30%，到 2050 年提高到5

25、0%。 与中国同为发展中国家的印度 近年来在 风能应用方面也取得了一系列显著第一章 绪论 4 成绩 ， 通过引入大容量、高效率的新型风机和优化风电场建设地点等措施， 其风电累计装机容量在 2011 年 时已达到 16.08GW，位居世界第五 11。 自上世纪 70 年代 尝试 风电机组 开发以来，中国政府先后启动了“乘风工程”、“双加工程”、 “国债风电项目”、科技支撑计划等一系列项目来推动风电 发展进程。尤其自 2006 年中华人民共 和国可再生能源法正式实施 以后，中国风电发展进入飞速上升时期，连续 4 年 累计装机容 量 呈现翻番的增长态势。据中国可再生能源学会风能专业委员会 (CWEA

26、)统计， 2012 年中国风电新增和累计装机容量分别达到 12.96GW 和 75.324GW，均居于世界首 位。 其中，内蒙古、河北、甘肃位居累计 装机容量的前三名。 这显然与中国政府重视可再生能源发展，加大对风电产业发展的投资 力度密切相关。 2012 年国务院颁布的“十二五”国家战略性新兴产业发展规划和科技部颁布的风力发电科技发展“十二五”专项规划，更是提出 2015 年，风电并网装机达到 1 亿 kW，当年发电量 1900 亿 kWh 的发展目标，并明确提出 2020 年前打造内蒙 古 、新疆、甘肃 等 7 个千万 kW 级别风电基地 的建设规划 12。 图 1-2 2001-2012 年中国风电装机容量数据 为了有效控制风电发展规模和速度，我国政府曾多次制定未来风电的具体发展目标，如 2007 年 8 月公布的可再生能源中长期发展规划中提出“到 2010年，全国风电装机容量达到 500 万 kW， 2020 年全国风电装机容量达到 3000 万kW”的目标。 2010 年 4 月起开始实施的可再生能源法修正案， 2012 年 4 月科技部推出的风力发电科技发展“十二五”专项规划， 2012 年 7 月国家发改委颁布的可再生能源发展“十二五”规划等相关文件，也分别提出过我国风