《能源革命中電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展預(yù)測和對策》針對能源革命中電網(wǎng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn),從未來能源發(fā)展的戰(zhàn)略與布局、電網(wǎng)發(fā)展的需求與態(tài)勢、技術(shù)發(fā)展的方向與應(yīng)用出發(fā),找出對電網(wǎng)發(fā)展影響**的關(guān)鍵因素和關(guān)鍵技術(shù),評價新技術(shù)在電網(wǎng)發(fā)展中的應(yīng)用前景,提出未來至2050年電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的趨勢和應(yīng)對策略。同時,根據(jù)對我國未來中長期能源電力供應(yīng)和需求及電力傳輸需求的估計,對影響未來電力傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新技術(shù)進(jìn)行預(yù)測,探索未來電源和電網(wǎng)的發(fā)展模式,解決發(fā)電能源種類及資源和消費分布不均衡狀況,以引導(dǎo)電網(wǎng)科學(xué)發(fā)展,促進(jìn)能源電力和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
《能源革命中電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展預(yù)測和對策》可供國家能源電力系統(tǒng)管理者和發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃制定者使用,也可供從事能源電力發(fā)展特別是電網(wǎng)技術(shù)開發(fā)科研工作者參考,還可供相關(guān)專業(yè)師生閱讀。
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第一篇
總 論 篇
項目負(fù)責(zé)人 :周孝信 程時杰
項目參加人(按姓氏拼音排序):
專家組 :程時杰 韓英鐸 韓禎祥 雷清泉 盧 強(qiáng) 王錫凡 嚴(yán)陸光 余貽鑫
鄭健超 周孝信
工作組 :白曉民 何金良 胡學(xué)浩 黃少峰 賈宏杰 江道灼 來小康 雷清泉
李柏青 李亞樓 梁 軍 梁曦東 林集明 劉建明 劉應(yīng)梅 盧 強(qiáng)
魯宗相 梅生偉 榮命哲 孫宏斌 孫華東 孫元章 湯 涌 田 芳
王成山 王偉勝 王錫凡 王秀麗 文勁宇 肖立業(yè) 葉 駿 于坤山
鄭健超 周勤勇 周孝信
**章 新能源革命和電網(wǎng)的使命
能源是人類賴以生存和發(fā)展的*基本的物質(zhì)基礎(chǔ),是現(xiàn)代社會運行的動力之源,是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本保障。能源的開發(fā)利用極大地推動了世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類社會的進(jìn)步,是人類文明進(jìn)化的重要標(biāo)志。能源、材料、信息被認(rèn)為是現(xiàn)代社會的三大支柱,其中能源是一切活動的基礎(chǔ)。能源之于社會,就如糧食之于人類。在新的技術(shù)革命的熱潮中,雖然信息產(chǎn)業(yè)正以驚人的速度迅猛發(fā)展,但能源對世界經(jīng)濟(jì)的影響仍穩(wěn)居首位。
**節(jié) 能源發(fā)展的歷史
縱觀人類社會發(fā)展的歷史,人類文明的每一次重大進(jìn)步都伴隨著能源的改進(jìn)利用和更替(國務(wù)院新聞辦公室,2007)。能源革命主要是指在能源開發(fā)利用和加工轉(zhuǎn)換的過程中取得的重大突破。能源發(fā)展歷史上一共發(fā)生了四次能源革命,推動著人類能源利用水平的不斷提高,人類所能利用的能源種類也越來越多。能源革命使人類的能源消費結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化,尤其在工業(yè)革命以來近150年的時間里,先后出現(xiàn)了煤炭高峰、石油高峰、核電興起等歷史過程(Zable,2002),如圖1-1所示。以主力能源更替來劃分,人類已經(jīng)經(jīng)歷了三個能源時期,即薪柴時期、煤炭時期和石油時期。進(jìn)入21世紀(jì),能源系統(tǒng)呈現(xiàn)出一種多元化的局面。
一、**次能源革命——火
發(fā)現(xiàn)和學(xué)會使用火是人類發(fā)展史上的重大事件,是人類文明的標(biāo)志之一。鉆木取火是人類在能量轉(zhuǎn)化方面*早的一次技術(shù)革命。從利用自然火到利用人工火的轉(zhuǎn)變,這是人類的**次能源革命。人類社會從此進(jìn)入了以薪柴作為主要能源的時代。人類利用薪柴、樹木燃燒獲得熱能,在機(jī)械能方面則依賴于風(fēng)力、水力和畜力等自然動力的簡單利用。在漫長的“薪柴時代”中,木材一直在世界一次能源消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)首位。
在后來發(fā)生的幾次能源革命之后,以薪柴為代表的生物質(zhì)能仍然是世界能源體系的重要組成部分,為發(fā)展中國家和農(nóng)村等現(xiàn)代商品能源尚未或不易發(fā)展的地區(qū)中的人們提供能源支持。
二、第二次能源革命——化石能源
第二次能源革命是以化石能源取代薪柴成為主體能源的過程。第二次能源革命的**次高潮緣起于18世紀(jì)60年代英國的產(chǎn)業(yè)革命,其結(jié)果是使世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生了**次大轉(zhuǎn)變,從薪柴轉(zhuǎn)向煤炭。實際上,煤炭很早就被人類發(fā)現(xiàn)并開采利用,但主要用途與薪柴是一致的。而且因為生產(chǎn)力低下,人類對能源的需求不大,薪柴已經(jīng)足夠使用,煤炭在能源消費中的比例很小。在產(chǎn)業(yè)革命對動力設(shè)備的需求促進(jìn)下,1769年詹姆斯?瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī),實現(xiàn)了熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。蒸汽機(jī)的發(fā)明是人類利用能量的新里程碑,也被認(rèn)為是人類歷史上的**次技術(shù)革命。蒸汽機(jī)需要大量燃燒,煤炭開始被廣泛利用,這兩方面相互作用推動了蒸汽機(jī)的大量推廣使用。煤炭開發(fā)利用的另一個重大進(jìn)步是煉鋼工業(yè)的發(fā)展和成熟。1709年開始利用焦炭煉鋼,1770年用焦炭冶煉出**批有價值的鋼鐵,冶金工業(yè)的發(fā)展帶來了材料的革命。這為蒸汽機(jī)的發(fā)明乃至生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。蒸汽機(jī)的大量使用與采礦、冶金工業(yè)的蓬勃興起,鐵路和航運的發(fā)展乃至發(fā)達(dá)等因素相互促進(jìn),形成了紡織、機(jī)械、化學(xué)、冶煉鋼鐵、煤炭采礦等近代大工業(yè)體系,社會勞動生產(chǎn)率極大提高。自此人類進(jìn)入以蒸汽機(jī)為代表的機(jī)械化時代,逐步以機(jī)械動力大規(guī)模代替人力和畜力。在這個過程中,近代煤炭工業(yè)得到迅速發(fā)展,煤炭作為主要的動力能源,成為工業(yè)化的動力基礎(chǔ)。同時煤氣燈的發(fā)明結(jié)束了黑暗長夜,使人類的照明方法向前邁進(jìn)了一大步。從1860年到1920年,世界煤產(chǎn)量從1.36億t增至12.5億t,增長了8.2倍,占世界一次能源消費的比例從24%上升到62%。從此煤炭成為第二代主體能源,人類進(jìn)入“煤炭時代”。
1859年,美國人德雷克在賓夕法尼亞州打出世界上**口油井,揭開了石油工業(yè)大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的序幕。隨后俄國也開始開采石油,并在1897~1906年鋪設(shè)了**條輸油管道。石油的大規(guī)模開發(fā)為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。1876年德國人奧拓發(fā)明了火花點火四沖程內(nèi)燃機(jī)。1886年德國人本茨和戴姆勒研制出以液體石油為燃料、以內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的**輛汽車。石油開采和內(nèi)燃機(jī)發(fā)展互為需求,形成世界能源革命的第二個高潮。內(nèi)燃機(jī)為整個工業(yè)社會提供了前所未有的動力,為汽車、輪船、內(nèi)燃機(jī)車、飛機(jī)、坦克等發(fā)明創(chuàng)造了條件。人類進(jìn)入大規(guī)模利用石油的摩托化時代,以內(nèi)燃機(jī)為動力的移動式機(jī)械得到廣泛應(yīng)用。從此世界越來越“小”,交通便利,貿(mào)易不斷擴(kuò)展,現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展。石油以不可思議的力量徹底改變了人類的生活,整個20世紀(jì)可以說是石油的世紀(jì)。天然氣隨著石油的開采利用被人們所發(fā)現(xiàn),也逐漸成為重要的能源之一。20世紀(jì)20年代發(fā)明了管線焊接技術(shù),制成了大直徑有縫鋼管,為石油特別是天然氣的遠(yuǎn)距離輸送提供了條件。50年代初,首先在美國,而后在中東、北非等地相繼發(fā)現(xiàn)巨大的油田和氣田。發(fā)達(dá)國家的能源消費逐漸從煤炭向石油和天然氣過渡。
1965年,在世界能源消費結(jié)構(gòu)中,石油首次取代煤炭占據(jù)首位,成為第三代主體能源,世界進(jìn)入“石油時代”。1979年,世界能源消費結(jié)構(gòu)中石油占54%,天然氣和煤炭各占18%,石油成為**的主力能源,標(biāo)志著能源結(jié)構(gòu)的第二次轉(zhuǎn)變完成了。
2000年世界一次能源供應(yīng)總量構(gòu)成中,石油占34.8%,煤炭占23.5%,天然氣占21.1%,三者之和將近80%(王革華,2005)。而在全世界終端能源消費中,2008年化石能源共占2/3,其中石油、天然氣、煤炭分別占41.6%、15.6%和9.8%(IEA,2010a);茉闯蔀槭澜缒茉吹**主體,石油、天然氣和煤炭成為當(dāng)今世界能源體系的三大支柱。
今天,石油已經(jīng)成為一個國家綜合國力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的重要標(biāo)志,成為國家安全、繁榮的關(guān)鍵和文明的基礎(chǔ)。石油是所有工業(yè)化國家的經(jīng)濟(jì)生命線,是現(xiàn)代工業(yè)的“血液”,是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)安全的戰(zhàn)略資源。與煤炭在世界各地基本都有一定分布所不同的是,石油在全世界的分布極為不均衡。這導(dǎo)致石油成為一種全球戰(zhàn)略資源。石油貿(mào)易在世界貿(mào)易中占有極為重要的地位,對國際進(jìn)出口貿(mào)易平衡、國際收支平衡和世界金融市場穩(wěn)定發(fā)揮著重要的作用。石油價格成為重要的國際經(jīng)濟(jì)指標(biāo),影響世界經(jīng)濟(jì)的方方面面。石油的戰(zhàn)略性使它成為人們互相爭奪和追逐的對象。20世紀(jì)以來,從**次世界大戰(zhàn)到1991年海灣戰(zhàn)爭,一直貫穿著“石油權(quán)利”的較量。石油成為戰(zhàn)爭的導(dǎo)火索,既是戰(zhàn)爭爭奪的對象,也成為影響戰(zhàn)爭進(jìn)程的重要因素。作為全球石油**產(chǎn)地的中東地區(qū),長期以來一直處于矛盾沖突的不安全形勢中,并引發(fā)了1973年、1979年、1990年三次石油危機(jī),對世界經(jīng)濟(jì)造成了極大的沖擊。
三、電力革命
在第二次能源革命后半段的相同時期中,另一件意義重大的事件就是電力的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)利用,即電力革命,這是繼工業(yè)革命后的第二次技術(shù)革命。電力革命一般不納入能源革命。19世紀(jì)初奧斯特發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后,在法拉第、麥克斯韋、赫茲等科學(xué)家的努力下,電磁理論得到不斷完善。1834年俄國人雅可比制成了**臺具有使用價值的電動機(jī),標(biāo)志著電能應(yīng)用的正式開始。1879年愛迪生發(fā)明碳絲燈泡,為人類帶來無限的光明,1882年在紐約建成世界上**座正規(guī)的直流發(fā)電站。1888年美國人特斯拉發(fā)明三相感應(yīng)電動機(jī)和交流電傳輸系統(tǒng)。從此,電力作為新形式的能源得到廣泛利用,電力取代蒸汽機(jī),電器工業(yè)迅速發(fā)展。人類永遠(yuǎn)脫離黑暗,進(jìn)入電氣化時代。電氣化程度已成為衡量社會文明發(fā)展水平的重要標(biāo)志。
進(jìn)入20世紀(jì)后,隨著設(shè)計、材料和制造工藝的進(jìn)步,電力的生產(chǎn)和應(yīng)用更加飛速發(fā)展。大型發(fā)電機(jī)組和大規(guī)模交流電網(wǎng)a逐漸出現(xiàn),形成了現(xiàn)代大電力系統(tǒng)的雛形,這是人類工程科學(xué)***重要的成就之一。全世界發(fā)電量從1951年的956.8億kW?h增加到2000年的15.38萬億kW?h。到20世紀(jì)末,世界上已經(jīng)建成若干個總裝機(jī)容量超過億千瓦、覆蓋面積達(dá)到千萬平方千米的大型現(xiàn)代電力系統(tǒng)。其年傳輸、分配的電力超過萬億千瓦時,為整個國家或地區(qū)數(shù)億人民的生產(chǎn)、生活提供優(yōu)質(zhì)的電力。這種縱橫千萬里、傳輸龐大功率、有千百個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點交織密布的巨系統(tǒng),要求高度的自動控制技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢測、運行調(diào)度、自動保護(hù)、事故處理及系統(tǒng)管理,推動了系統(tǒng)控制理論、自動化技術(shù)的發(fā)展。
電能是人類社會中應(yīng)用*廣泛、使用*方便、*清潔的一種優(yōu)質(zhì)的二次能源,是迄今為止*理想的能源。電能以電磁場為載體,在傳輸上具有獨特優(yōu)勢,可以高速遠(yuǎn)距離輸送,傳輸損耗比機(jī)械能、熱能的輸送都小得多。同時,電能在生產(chǎn)、傳輸和使用中更易于調(diào)控。
電力來源廣泛,可以通過已有的各種能源方便地轉(zhuǎn)換得到(主要是通過機(jī)械能的中轉(zhuǎn)),并因為可以集中大規(guī)模開發(fā),所以能源轉(zhuǎn)換效率比較高。電能的能源利用效率很高,在使用上具有其他能源無可比擬的優(yōu)越性,可以方便地轉(zhuǎn)化為光能、熱能、機(jī)械能等各種能量形式實現(xiàn)終端利用,滿足社會生產(chǎn)生活的種種需求。發(fā)電能源占一次能源消費的比例和電能占終端能源消費的比例,是電氣化水平的兩個重要指標(biāo)。我國改革開放以來這兩個指標(biāo)快速上升,分別由1980年的a電網(wǎng):狹義上是指電力系統(tǒng)中聯(lián)系發(fā)電和用電的設(shè)施和設(shè)備,是輸送和分配電能的中間環(huán)節(jié)的統(tǒng)稱,主要由聯(lián)結(jié)成網(wǎng)的輸電、變電、配電設(shè)備及相應(yīng)的輔助系統(tǒng)組成。廣義上則泛指整個電力系統(tǒng)。本書中出現(xiàn)的“電網(wǎng)”,一般多指狹義電網(wǎng),后面提到的“三代電網(wǎng)”則是廣義電網(wǎng)。
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