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Technology Outlook on Wind and Solar Power toward Chinas Carbon Neutrality Goal中国碳中和目标下的风光技术展望清华大学碳中和研究院2024年1月中国碳中和目标下的风光技术展望Technology Outlook on Wind and Solar Power toward Chinas Carbon Neutrality Goal二氧化碳等温室气体大量排放导致的气候变化，是全人类面临的严峻挑战。在全球气候治理进程的关键时刻，中国作出碳达峰碳中和重大承诺，推动高质量发展，加快绿色低碳转型，体现出勇担重任的大国担当。“双碳”目标下，风、光等可再生能源发展成为构建新型电力系统、推动能源结构转型的关键举措。“双碳”目标提出三年来，我国积极稳妥推进碳达峰碳中和，完成了构建碳达峰碳中和“1+N”政策体系，稳步推进能源绿色低碳转型，把促进新能源和清洁能源发展放在了更加突出的位置。如今，中国已成为全球最大的光伏和风电市场，在推动技术进步和成本下降的过程中起到了重要作用，为应对全球气候变化树立了行动典范。然而，目前风光技术在发展过程中仍面临着许多系统性挑战，如发电效率低、储能技术不成熟、成本较高等。为应对这些挑战，相关学界和产业界正不断加大风光技术研发投入，力求突破技术瓶颈，推动风光技术的快速发展，为实现能源转型和绿色低碳发展提供有力支撑。在能源基金会支持下，清华大学碳中和研究院、环境学院联合相关研究机构、行业协会、头部企业，针对风能、光伏和光热发电的关键问题与发展路径开展系统研究，并牵头撰写了中国碳中和目标下的风光技术展望报告，以期为未来电力系统的绿色与低碳发展提供数据支持与相关建议，为实现“双碳”目标提供支撑。本报告强调了中国在可再生能源技术创新和制造领域的关键地位。详细梳理了风电技术、光伏技术和光热技术的发展概况、关键技术与产业链发展现状和趋势，介绍“风光+”技术的发展模式及示范案例，并提出政策发展建议。报告指出，“风光+”技术的出现将推动风光能源的高质量发展，催生出更加强大和可持续的能源体系。风力发电、光伏发电和光热发电的相序 言互协同作用，将不仅使可再生能源发展更为多样化，而且有助于提高其整体稳定性与可靠性。报告站在全球气候变化与中国生态文明建设的关键节点，提出了风光可持续发展的战略措施。随着气候变化带来的极端天气事件愈发频繁，高比例风光发电的电力系统如何应对其影响以保证电力系统的可靠性，大规模风光发展如何保证不对当地生态系统造成破坏，都是当今亟需研究的焦点问题。报告指出，应对这些挑战需要跨学科合作，发展更智能、更适应未来气候变化的风光能源系统，包括更可靠的预测技术，以应对气候变化带来的不确定性；同时，应开展风光电站建设前的全面环境评估，以最大限度地减少对当地生态的影响，确保生态系统的平衡和可持续性。本报告不仅提出问题，还提供了较为详尽的风光发展方案，为政策制定者、行业领袖和社会各界提供参考。报告显示，自2005年以来，随着我国风电、光伏技术装备水平的不断加强，风电、太阳能发电的装机规模不断扩大，在电力结构中的装机与发电比重逐步提高，发展成效显著。未来我国风、光发电预计将持续大规模发展，在应对全球气候变化的过程中发挥重要作用。本报告编写得到了相关学界和产业界专家的大力支持。在报告编写过程中，研究团队组织了以“面向碳中和的风光技术”为主题的系列碳中和技术论坛与学术沙龙活动，建立了交流合作平台与机制，上百位专家参与了学术研讨和报告评审工作。未来，团队将继续深入研究、促进交流，推动风光技术可持续发展，为实现“双碳”目标、应对全球气候变化作出更大贡献。李俊峰国家气候战略中心首任主任中国能源研究会常务理事能源基金会首席执行官兼中国区总裁贺克斌邹骥中国工程院院士清华大学碳中和研究院院长清华大学环境学院教授CONTENTS目录引言第 1 章 碳中和目标下的风光电力1.1 风光资源时空分布特征 _ 41.1.1 风光资源空间分布特征 _ 41.1.2 风光资源时间分布特征 _ 71.2 风光发电发展历史与现状 _101.2.1 风光在我国装机和发电结构中的变化 _101.2.2 我国风光在全球装机和发电量的发展特征 _111.2.3 现今风光发展的空间分布现状 _131.3碳中和目标下高比例风光发展路径 _17风光技术发展展望篇第 2 章 风电技术发展展望2.1 风电技术发展概况 _242.1.1 风电技术发展现状 _242.1.2 风电技术发展瓶颈与挑战 _272.2 风电关键技术及产业链发展概况 _302.2.1 产业链发展现状 _302.2.2 关键零部件发展现状 _312.2.3 国内外产业政策对产业链的影响 _332.3 风电关键技术发展趋势及成本演变 _352.3.1 关键技术发展趋势 _352.3.2 关键技术成本演变 _372.4 政策发展建议 _412.5 风电发展模式及示范案例 _432.5.1风电+海洋牧场 _432.5.2风电制氢的模式 _442.5.3风电 Power to X _45第 3 章光伏技术发展展望3.1光伏技术发展概况 _483.1.1光伏技术发展现状 _483.1.2光伏技术发展瓶颈与挑战 _513.2光伏关键技术与产业链发展概况 _523.2.1产业链发展现状 _523.2.2关键零部件发展现状 _533.2.3国内外产业政策对产业链的影响 _543.3 光伏关键技术发展趋势及成本演变 _563.3.1关键技术发展趋势 _563.3.2关键技术成本演变 _583.4政策发展建议 _613.5光伏+发展模式及示范案例 _623.5.1光伏+农业 _623.5.2光伏+治沙 _633.5.3光伏+建筑 _633.5.4光伏+交通 _65第 4 章光热技术发展展望4.1光热技术发展概况 _684.1.1光热技术发展现状 _684.1.2光热技术发展瓶颈与挑战 _704.2光热关键技术与产业链发展概况 _714.2.1产业链发展现状 _714.2.2关键零部件发展现状 _714.2.3国内外产业政策对产业链的影响 _744.3光热关键技术发展趋势及成本演变 _764.3.1关键技术发展趋势 _764.3.2关键技术成本演变 _764.4政策发展建议 _804.5光热+发展模式及示范案例 _ 81风光可持续发展的应对措施篇第 5 章极端天气应对与风光发电量预报技术5.1极端天气对可再生能源系统的影响以及应对措施 _885.1.1少风少光的极端天气时空变化特征分析 _885.1.2极端天气对可再生能源系统的影响 _915.1.3应对极端天气的措施和策略 _935.2风光发电预报技术 _955.2.1风光发电量预报的意义和应用场景 _955.2.2风光预报的方法分类 _955.2.3风光预报技术的发展和展望 _975.3电力市场交易对风光预报的需求及市场前景 _98第 6 章生态环境友好的风光技术措施6.1风光系统对生态环境的影响 _1026.1.1风电场生态影响分析 _1026.1.2光伏电站生态影响分析 _1036.1.3风电对区域气候影响分析 _1066.1.4光伏对区域气候影响分析 _1066.2低生态环境影响的技术措施 _1086.2.1光伏电站生态环境友好技术 _1086.2.2风电场生态环境友好技术 _1116.2.3低生态环境影响的管理技术 _1126.3生态效益示范项目 _1146.4政策建议 _119碳中和目标下的风光发展政策与展望篇第 7 章风光发展技术路线展望与政策建议7.1未来年风光发展技术路线图 _1247.2风光发展的政策建议 _126参考文献 _12814中国碳中和目标下的风光技术展望持续性的全球气候变化将会对全球自然生态系统、人类社会的可持续发展构成巨大的威胁。在巴黎协定中，各国政府相继提出相关净零排放目标，以遏制温室气体的快速增加。中国作为当今世界上经济与能源大国，在 2020 年 9 月第 75 届联合国大会的一般性辩论中作出了“二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”的重大承诺。在“双碳”目标下，发展风、光等可再生能源成为“零碳”电力系统的主力军，既是能源结构转型的一项重要举措，也是构建新型电力系统的关键。随着风、光可再生能源电力的大规模开发，风、光发电全产业链的技术、成本、安全供应、生态效益等将面临着新的机遇与挑战，构建技术先进、成本低廉、安全稳定、生态友好的风、光发电技术体系，是引领我国可再生能源行业可持续发展的关键。近五年，随着国际形势与产业结构的加速变化，新技术、新应用、新开发模式不断涌现，进一步加速了风电与光电行业的快速发展，并促进了可引言1序 言再生能源行业与信息技术、生态修复治理、农林牧渔等领域的深度交叉与融合。未来风电与光电的迅速增长需进一步突破行业技术发展瓶颈、实现产业的降本增效、加速可再生能源行业与生态修复的协同发展。加快风电、光电领域的科学研究与战略布局，不仅将优化加速全产业链的发展，同时也将为装备制造、生态修复、产业融合提供新的思路与支撑。在碳达峰、碳中和的时代背景下，风、光可再生能源行业的机遇前所未有，在全球战略的视角下系统分析全产业从生产到开发的一系列系统性问题，并构建前瞻性的中长期风光装机及技术发展的时空路线图，对我国以风光为主的可再生能源产业发展具有重要的现实意义。在这一战略背景下，本报告旨在明确风、光发电等可再生能源发展面临的全产业链关键风险与挑战，识别风、光发电开发的内在优势与产业新机遇、新业态，并在此基础上展望我国风光发展的路线图与时间表，为我国未来电力系统的绿色与低碳发展提供数据支撑与相关建议。2中国碳中和目标下的风光技术展望第 1 章 碳中和目标下的风光电力自 2005 年以来，随着我国风电、光伏技术装备水平的不断加强，风电、太阳能发电的装机规模不断扩大，在电力结构中的装机与发电比重逐步提高，发展成效显著。随着“双碳”目标的提出，未来我国风、光发电预计将持续大规模发展，为应对全球气候变化发挥重要作用。本章通过梳理我国风电、光伏、光热资源开发潜力，总结我国风、光潜力分布特征及时间变化趋势，在回顾我国风、光发展历史与现状的同时，展望我国碳中和目标下的风光发展路径。3第 1 章碳中和目标下的风光电力WIND ANDSOLAR POWER 014中国碳中和目标下的风光技术展望风光资源时空分布特征1.1风光资源评估既为宏观层面国家和地方制定风光发电发展规划提供依据，也是微观层面风光电场的选址、布局、机组的选型、发电量估算和经济概算的基础。本节通过对自然资源禀赋（风速、辐射量）、可再生能源技术特点、地理制约及土地类型限制的考量，总结了风电、光伏和光热三种可再生能源在我国的资源分布情况。1.1.1风光资源空间分布特征我国风能、太阳能资源十分丰富，可开发潜力大。根据大量的研究估算，我国 100 米高度的风能资源（包括陆上风能和海上风能）的技术可开发量达到 10.9 至 20.1 太瓦（Lu et al.,2009;Sherman et al.,2020;Wang et al.,2022），以光伏发电（包括集中式和分布式光伏）为首的太阳能发电技术可开发量达到 45.6 至 58.9 太瓦（Chen et al.,2019;Wang et al.,2022），风光的理论装机容量远大于碳中和目标下的风光装机需求。风能的理论年发电潜力约 29至 44 亿万千瓦时（McElroy et al.,2009;Wang et al.,2022），约为 2020 年全社会用电量的 4-6 倍（Chen et al.,2019;Wang et al.,2022）。太阳能光伏的理论年发电潜力约 67 至 101 亿万千瓦时，约为 2020 年全社会用电量的 9-13 倍。我国地域辽阔、地形起伏多变、下垫面复杂并涵盖不同的气候带，风速及太阳辐射量在各个区域变化特征差异较大，这导致我国不同地区的风光资源潜力存在较大差异。图 1.1 展示了我国 100 米高度的平均风速分布图及地面总水平辐射空间分布图。风速的分布显示，我国东北地区、河北北部、内蒙古、宁夏中南部、陕西北部、甘肃西部、新疆东部和北部、青藏高原、云贵高原和广西等地的山区以及东南沿海等地年平均风速一般大于6.0米/秒，其中东北东部、内蒙古中东部、新疆北部和东部、甘肃西部和北部、青藏高原等地年平均风速达到 7.0 米/秒，部分地区达到 8.0 米/秒以上。山东西部及东部沿海、江苏、安徽东部等地年平均风速为 5.0-6.0 米/秒。我国其他陆地地区年平均风速一般低于 5.0 米/秒，主要分布在中部和东部平原地区及新疆的盆地区域。海上年平均风速明显大于陆地，其中台湾海峡和台湾省的近海风能资源最丰富，年平均风速在 7.5-10.0 米/秒之间；台湾海峡以北的近海海域年平均风速为 6.5-8.0 米/秒，广东、广西和海南岛近海海域的年平均风速为 6.0-7.5 米/秒。辐射量的分布显示，我国太阳能发电潜力总体分布不均，呈现出西北高东南低的分布格局。以西藏、青海、甘肃西部、新疆东南部、内蒙古西部为首的我国西部地区，大面积光伏辐照强度100 米高度的风能资源 技术可开发量达到 10.9-20.1 TW以光伏发电为首的太阳能发电技术可开发量达到45.6-58.9 TW1961-1990 年，“变暗”趋势每十年 7.87 W/m2每十年 2.4 W/m21991-2009 年，“变亮”趋势近几十年来我国NSWS减少趋势的大致范围每年0.1-0.22 m/s存在短暂的增加趋势2010年后NSWS5第 1 章碳中和目标下的风光电力高于 1700 千瓦时/平方米，而华中地区和东北地区的辐射量较低。在综合地理条件、土地约束、风速大小、辐射强度等因素之后，计算得出我国风光发电的发电容量因子如图 1.2 所示。我国适宜风电开发的地区主要集中在“三北”地区和东南沿海地区。东南沿岸及其周边岛屿的海上风力资源丰富，为我国最大的图 1.2我国风电、光伏、光热发电容量因子分布特征（剔除不可用土地面积）图 1.1我国风速与辐射量空间分布图6中国碳中和目标下的风光技术展望海上风能资源区。陆上风电，内蒙古、甘肃北部的容量因子基本高于 30%，为陆上风能资源最丰富的区域；其次为黑龙江和吉林东部以及辽东半岛沿海；青藏高原的陆上风力资源也较为优质，但受地形及海拔高度限制，开发难度较大。云贵川、甘肃、陕西南部、河南和湖南的西部、福建、广东、广西的山区、塔里木盆地因风速、地形等因素，风电开发的容量因子较低，开发风电的条件一般。在光伏发电中，我国光伏潜力总体呈现出西北高东南低的分布格局，分布不均衡，容量潜力最高的地区集中在西北地区、华北地区和西藏地区，有大面积区域的容量因子高于 20%，适合集中式光伏的开发。而中部地区、东部及南部沿海地区，主要受到光照强度的限制，容量因子仅为 12%-17%，更适合开展装机规模较小的分布式光伏建设，直接为住宅、商业建筑及公共设施提供电力供应。我国太阳能光热发电由于对太阳法向直接辐照度及大范围的土地利用有较高要求，因此我国光热发电潜力在空间分布上呈现明显的南北差异，全国共有 17 个省份具备开发潜力，且主要集中在三北地区。其中新疆、内蒙古、西藏、青海和甘肃是辐射条件、自然资源最为适宜的省份（自治区），这 5 个省份（自治区）的光热发电潜力超过全国总发电潜力的 95%。受法向直接辐照度限制，我国南方、华东及华中地区暂不具备光热发电条件。在综合地理条件约束与风速、辐射自然约束后，表 1.1 总结了我国各地区的风光装机潜力与理论发电潜力。我国陆上风电在华北地区开发潜力最大，东北、西北次之，西南和华中地区开发潜力较小；海上风电集中在我国的华东和南方沿海地区；集中式光伏发电在西北地区开发潜力最大，华北次表 1.1我国风能和光伏装机潜力、年均理论发电潜力及 2020 年耗电量（Wang et al.,2022）技术可开发量每年理论蕴藏量年消耗量吉瓦亿万千瓦时亿万千瓦时区域电网省份风能陆上风能海上风能光伏集中式光伏分布式光伏风能光伏东北内蒙古东部6196190923835881.7441.2960.0628黑龙江70670603011491521.9370.3940.1014吉林30430403562431130.8610.4660.0805辽宁289176113191171740.7770.2380.2423西北甘肃321321027582682760.7184.1280.1376宁夏82820282253290.2410.3910.1038青海186186039143886280.3796.4910.0742陕西1651650372298750.4480.4580.1741新疆618618021200210541441.29329.270.2998华北北京0006125900.0720.114河北33428153338592790.9880.5870.3934山东596296300417213951.6360.5520.694山西12712703111941170.3640.4390.2342天津15114420420.0420.050.0875内蒙古西部207820780853783951425.39912.870.32717第 1 章碳中和目标下的风光电力技术可开发量每年理论蕴藏量年消耗量吉瓦亿万千瓦时亿万千瓦时区域电网省份风能陆上风能海上风能光伏集中式光伏分布式光伏风能光伏东南重庆43430221210.1080.0030.1187贵州109109010476280.2960.1050.1586四川223223015775820.6210.1820.2865西藏52452403332332741.3756.1770.0082华南广东677141536202191821.9770.2570.6926广西25018169187101860.7080.2220.2025海南246452012910190.5630.0330.0362台湾1010028028/香港000303/云南132132011560550.3740.1590.2026华中河南2912910303142890.8690.3770.3392湖北2062060157331240.5580.1880.2144湖南1741740919830.4620.0960.1929江西15215209727700.4230.1090.1627华东安徽2252250233112220.6790.280.2428福建321322899118730.9570.1020.2483江苏44117726430252971.20.3720.6374上海551045380370.150.0510.1576浙江4295037911241081.1630.1210.483全国10950869422544560041878372629.3166.537.511（续表）之，华南地区最小；分布式光伏发电由于需要大量利用建筑面积，在华北及华东地区开发潜力较大，在西南地区最小。1.1.2风光资源时间分布特征 我国风电资源的长期变化趋势探究风速的长期变化趋势可以直观的表征对风电开发的影响，其中近地表风速（Near Surface Wind Speed，NSWS）是评估风能资源变化的指标之一。目前大量的研究表明，1980-2010 年期间全球 NSWS 以每年 0.08 米/秒的速度下降，而自2010 年至今全球 NSWS 开始短暂的回升（Zeng et al.,2019）。我国区域的 NSWS 变化与全球趋势相似，对我国各区域的历史风速进行的研究均表明近几十年来我国近地表风速存在明显的减小，减少趋势的大致范围在每年 0.1-0.22 米/秒，部分地区可达每年 0.3 米/秒；也有研究证明了我国在2010 年后的 NSWS 存在短暂的增加趋势（Zha et al.,2021）。8中国碳中和目标下的风光技术展望历史风速呈现的减小趋势引起了人们对未来风力发电的担忧，准确预估未来风速并且给出未来风速变化的趋势对风电行业极为重要。虽然有研究发现 2010 年后我国乃至全球区域风速有增加的趋势，但是其后续的研究也发现这种增加是地球系统内部短暂的上升，这种上升会存在大约 10-20 年，而后乃至本世纪末风速变化的趋势仍然以降低为主（Liu et al.,2023）。对于未来气候变化的研究多依赖于国际耦合模式比较计划（Commentary on the Coupled Model Intercomparison Project，CMIP），基于 CMIP3、CMIP5、CMIP6 的风速预估研究结果表明，预计未来（现在-2100）我国大部分地区平均 NSWS 仍将呈现下降趋势，并且在不同季节、不同区域、不同排放情景中都会存在差异。在低排放情景下风速变化不明显，而随着排放程度的增加，风速变化程度逐渐明显（江滢 et al.,2018）。在 SSP5-8.5 情景下，风速除在我国东部部分地区有增加的趋势外，剩余区域均呈现减小的趋势，其中青藏高原地区减小程度最大、趋势最显著（Deng et al.,2021）。但是目前基于最新 CMIP6资料的风速预估研究还是较少，研究不够充分。由于 CMIP6 模式对历史 NSWS 的模拟仍然存在较大偏差，其给出的未来风速的预估结果仍充满不确定性。将风速预估结果用于未来风能规划、风机设计时更应谨慎理解、采纳和决策。我国太阳能资源的长期变化趋势1960 年以来，全球地面太阳总辐射总体呈下降趋势（IPCC,2021;Zou et al.,2019），我国大部分区域太阳总辐射和直接辐射也呈现减小的趋势（马金玉等,2011）。然而，到达地球表面的太阳辐射在 20 世纪 90 年代前后表现出两种不同的变化趋势，学界称为全球“变暗”和全球“变亮”（Wild&Science,2005），且具有局地性。通过对地面太阳辐射和日照观测资料进行分析，已有研究对我国地区接受的太阳辐射的变化给出了定量描述：1961-1990 年，“变暗”趋势为每十年 7.87 瓦/平方米；1991-2009 年，“变亮”趋势为每十年 2.4 瓦/平方米（杨溯等,2013）。本世纪初我国大气污染的加剧是导致“变亮”趋势放缓的原因之一（Li et al.,2017;Plaisier&Smeets,2015;Wild et al.,2009），但最新研究指出，随着我国空气污染防治工作取得显著成效，2014-2019 年我国区域太阳辐射显著增长，尤其是在我国污染最严重的中东部地区，增长趋势可达每年 1.16 瓦/平方米（Chen et al.,2022）。结图 1.3我国近 30 年近地面平均风速变化（1992-2022）9第 1 章碳中和目标下的风光电力合我国目前的绿色低碳的能源发展思路，这种正效益预计将进一步增强。准确预估未来太阳能资源变化是合理高效开发光伏资源的必然要求。已有多个研究基于CMIP5 和 CMIP6 多个模式下的模拟数据（Ha et al.,2023;Niu et al.,2023），计算不同碳排放情境下太阳总辐射的变化趋势，表 1.2 列出了一些现有的研究结果，总体来说，我国的华东、南部和华中地区，太阳能总辐射百年内呈现增加趋势，西北和青藏高原的辐射量呈现减小趋势。由于云和气溶胶的预估还存在很大的难度，对地面太阳能资源的未来预估还存在很大的不确定性（Yang et al.,2022）。表 1.2不同文献基于 CMIP 模式对全国太阳总辐射长期变化的预估文献数据源情景时间我国各地趋势全国东南华中西北青藏高原Crook et al.（2011）CMIP3-2010-2080Wild et al.（2015）CMIP5RCP8.52006-2049Zou et al.（2019）CMIP5RCP8.52006-2100Zhao et al.（2020）CMIP5RCP8.52006-2100Gernaat et al.（2021）CMIP5RCP6.01970-2100Niu et al.（2023）CMIP6SSP5852023-210010中国碳中和目标下的风光技术展望风光发电发展历史与现状1.21.2.1风光在我国装机和发电结构中的变化图 1.42012-2023 年我国电力装机结构及风电、太阳能合计在全社会用电量中的比重（数据来源：国家能源局、中国电力企业联合会）2023E 代表根据 2023 年前三季度的能源装机及发电量数值预测的 2023 年全年数据。我国风光电力的装机结构也由 2012 年陆上风电独大向更加多元化的趋势发展（图 1.5），近年来呈现出集中式和分布式并举的发展特征。2021年，受国家补贴政策调整等因素的影响，我国海上风电新增装机容量达到 16.9 吉瓦，2021 年底累计装机容量为 26.4 吉瓦，规模跃居全球第一。光伏发电方面，受政策大力支持、成本不断下降和数年的市场培育等因素驱动，2017 年我国分布式近年来，以风光为主的可再生能源在我国电力装机和发电结构中不断扩大，我国可再生能源进入大规模跃升发展阶段，推动电力领域逐步向清洁化、低碳化转变。截至 2022 年底，我国以风电、光伏发电为首的新能源装机容量达 758 吉瓦，在全部电力装机中的比重为 29.6%（国家能源局,2023a），较 2012 年提高约 24 个百分点。2022 年度新能源发电量约 1.2 亿万千瓦，占全社会用电量的 13.8%（国家能源局,2023b），较 2012 年提高约 12 个百分点（图 1.4）。预计到 2023 年年底，我国发电装机容量预计将达到 2900 吉瓦，其中并网风电装机达 430 吉瓦、并网太阳能发电 560 吉瓦，占全国总装机比重超过三分之一（中国电力企业联合会,2023）。11第 1 章碳中和目标下的风光电力光伏迎来爆发式增长，在当年光伏发电新增装机容量中的比重突破三分之一。2021、2022 年度，分布式光伏新增装机容量均超过集中式光伏电站，成为拉动光伏发电规模增长的主力。截至 2022 年底，分布式光伏在全国累计光伏装机容量中的比重已达到 40%。我国光热发电技术发展起步较晚，目前建成投产的多为国家能源主管部门的示范项目，与风电、光伏发电相比规模较小。截至 2022 年底，我国陆上风电、海上风电、集中式光伏、分布式光伏和光热发电的累计装机容量分别为 335 吉瓦、30吉瓦、234 吉瓦、158 吉瓦和 0.59 吉瓦；2012-2022年间，各发电种类的年均增长率分别为 18.5%、59.2%、49.5%、52.6%和 89.2%。1.2.2我国风光在全球范围的装机和发电量的发展特征图 1.52012-2022 年各类发电种类在我国风光装机中的比重（数据来源：国家能源局、国家发展改革委能源研究所可再生能源发展中心、中国电力企业联合会、国家太阳能光热产业技术创新战略联盟）自 2005 年可再生能源法颁布以来，我国风光发电得到了快速的发展。近年来，我国的风电、太阳能发电装机容量实现跨越式增长，2020-2022 年间连续三年装机增量突破 100 吉瓦（国家能源局,2023b）。2022 年度我国贡献了全球最大的风光装机增长，风电、太阳能发电装机增量分别占全球的 41%和 37%（IRENA,2023）。从全球范围来看，我国风电累积装机容量于 2011 年超过美国，成为全球风电装机规模最大的国家，之后一直保持世界第一的位置，跃居全球最大的风电市场。根据国际可再生能源署（International Renewable Energy Agency，IRENA）的统计数据显示（图 1.6），从 2005 年到 2022 年，我国风电装机容量由不足 1.06 吉瓦（占全球总风电装机的 1.8%）快速增长至 2022 年的 365.96 吉瓦，增长了将近 350 倍，占全球风电装机容量的40.7%，已成为全球风电新增装机的主要来源。随着我国对可再生能源发展制定详细的五年规划，以及明确非化石能源消费占比目标，我国风电发电量12中国碳中和目标下的风光技术展望同样在稳步增长。2005 年，我国风电发电量仅为 1.6太瓦时，占全球总风力发电量的 1.6%，之后我国风电发电量以年均 46%的速度增长，到 2020 年达到 467 太瓦时，占全球总风电发电量的约三分之一。2015 年，我国太阳能发电超过德国，成为全球太阳能发电累计装机容量最大的国家。纵观我国太阳能发电的发展历程，其较于风电起步相对较晚（图 1.7），2005 年总装机不足 1 吉瓦（仅为图 1.6我国和全球风电装机与发电量（数据来源：国际可再生能源署（International Renewable Energy Agency，IRENA）图 1.7我国和全球光伏发电装机与发电量（数据来源：IRENA）13第 1 章碳中和目标下的风光电力0.14 吉瓦，占全球总太阳能发电装机的 2.9%），到2010 年总装机超过 1 吉瓦，达到我国风电 2005 年的装机规模。受光伏行业成本降低的影响，我国太阳能发电（主要为光伏）装机已于近几年实现对风电装机容量的反超，到 2022 年已达到 393.03 吉瓦，占全球总太阳能发电装机的 37.3%。2005 年，我国太阳能发电量仅为 0.14 太瓦时（占全球 3.1%），经过多年发展，到 2020 年太阳能发电量已达到261 太瓦时，占全球总太阳能发电量的 31%。1.2.3现今风光发展的空间分布现状我国如今各省级行政区的能源结构发展呈现了明显的区域异质性（如图 1.8），图 1.9 总结了我国各地区的能源结构特征（国家统计局,2023）：华北、华东地区为我国煤电厂部署最多的地区；天然气发电主要集中在长三角、珠三角、京津地区及西部油田地区，广东、江苏、浙江三省装机容量就超过全国在运天然气机组总容量的 60%；水力发电主要集中在四川、云南、湖北省等西南和中部地区，其次是西北地区的青海省；核电主要集中在沿海的辽宁、山东、江苏、浙江、福建、广东、广西和海南。同时，我国风光发展与风光的资源分布特征呈现较为明显的一致性，具体总结如下：华北地区整体风光资源禀赋突出，风电技术可开发量占全国的近三分之一，过去十年中以风光为首的可再生能源装机及发电量长期位居全国首位。但华北地区不同省市间的风光发展差异较大：蒙西、晋北地区风光发展较快，其中内蒙古风光装机量均位于全国首位，而北京、天津、河北南部与山东作为电力需求较大地区，陆上风电和光伏装机较少。此外，山东沿海风力资源丰富，海上风电已经成为山东省可再生能源发展空间的重要拓展方向。东北地区虽然有丰富的风能资源，但如今的发电结构仍然以火电为主，截止到 2022 年东北14中国碳中和目标下的风光技术展望地区火电在电力结构中占比达到 63%，风电占比17%，光伏发电占比 8%，水电占比 7%，核电占比4%。而在太阳能发电方面，黑龙江、吉林、辽宁三省太阳辐射资源较弱，因此未来陆上风电及邻近的海上风电将会成为东北地区第一大可再生能源。西北地区风光资源丰富，太阳能技术可开发量达到全国近六成，将成为我国“双碳”背景下以风光为主的可再生能源发电装机增长的主要区域。如今风电、光伏发电已经分别成为西北地区第二、三大电源类型，截止到 2022 年风电和太阳能发电的总装机量占所有电源总装机量的 42%，风光发电量占比达到 21%。另一方面，我国适宜建设光热发电项目的场址主要位于西北地区，已有较多的光热示范项目在西北地区开展。但西北地区仍存在各地区能源储量与经济发展不均衡、负荷中心与发电中心的地理差异大、发电资源全网分布不均等特点，这导致西北地区面临着大规模高比例新能源装机的消纳问题。比如，2021 年西北地区新能源利用率为 94.6%，弃风、弃光率分别达 5.5%和 5.1%。华东地区虽然作为我国经济发展最快的区域之一，但因陆上风速及辐射强度限制，陆上风电、集中式光伏发电及水电资源情况相较其他地区发展较差。现如今仍以煤电和气电为主要电力供应来源，火力发电量占比超过 75%。核电为第二大电源，占比超过 10%。华东地区拥有沿海优势，近年来以江苏、浙江和福建省为首的省份已快速推动海上风电的发展来保证本地的电力需求。此外，基于华东地区工商业的建筑面积较大的特点，分布式光伏在近两年成为该地区主要的可再生能源发展增长点。华中地区水电资源丰富，但风光资源相较其他地区较差，风光装机相对落后。近五年来随着低风速风电技术的不断发展，华中地区广泛部署小规图 1.82022 年我国省级行政区各电源发电量占比情况（暂无台湾省、香港特别行政区和澳门特别行政区数据）15第 1 章碳中和目标下的风光电力图 1.9我国七大地区各电源资源及发展特征（不含台湾省、香港特别行政区和澳门特别行政区分析）模、分散式的风电场。利用建筑面积，逐步开展分布式光伏的建设，为商业或工业园区提供电力。同时，结合丰富的水电资源，华中地区正逐步构建“风-光-水”互补的可持续电力发展系统，其中水电可稳定供应华中地区电力需求的 30-40%。南方地区陆上风电的发展主要分布于云南东部、贵州中部、广西中部及东北部的山地地区，海上风电发展主要集中于广东近海海域、广西近海海域及海南东北部海域，光伏发电发展主要集中于贵州南部、云南东部和珠三角地区。南方地区通过推动山地风电场与海上风电场的发展，实现风电装机持续增长。此外，南方地区丰沛的水电及抽水蓄能与风光发展相结合，开展“风光水储一体化”可持续发展，为风光装机持续增长提供灵活的消纳空间。西南地区中四川、重庆地区的风光资源较差，主要依赖水电的供应。西藏自治区具有较丰富的风光可再生能源资源禀赋，风电、光伏、光热开发潜力均居全国前列，但因海拔、土地及温度限制，其风光发展需要更多的技术支持，成本也较高，如今仍以小规模的集中式风电、光伏装机为主。这种以高寒缺氧为特点的高原气候条件为大型风电、光伏及光热项目的开发建设和运行维护都带来了挑战，是西南地区发展风光可再生能源的主要阻碍。综上所述，如今我国陆上风电发展主要集中在华北、西北和东北地区；海上风电发展主要集中在江苏省为首的华东沿海地区；集中式光伏发展主要集中在西北和华北地区；近两年随着可再生能源的快速发展，华北、华东地区拥有的大规模工业及商业建筑成为分布式光伏发展的领头羊（曾泽荣等,2020）；光热发展仍以示范项目为主，集中在西北地区。但我国各区域的人口、社会、经济发展的空16中国碳中和目标下的风光技术展望间分布特征，与风光资源、发展空间分布特征呈现不对应的情况：人口和社会经济发展呈现东密西疏的重要特征，而丰富的风光资源及大规模的风光发展集中在华北、西北及东北地区。这导致在未来高比例风光的电力系统下，长距离、跨区域的电力传输及配套的储能功能将为风光发电的进一步发展提供动力。同时，各地区的风光发展应基于现有各地区不同电源的装机情况，实现多能源、多地区间的互补作用，比如西南、南方和华中地区建立“风光水储”的互补电力供应机制，华东和华北地区在逐步实现退煤的同时促进煤电厂碳捕集装备（Carbon Capture and Storage,CCS）的改造，并保留气电供应，从而保障未来高比例风光为首的电力系统的稳定性与可靠性。17第 1 章碳中和目标下的风光电力碳中和目标下高比例风光发展路径1.3在我国碳中和目标的驱动下，电力部门将成为重要的脱碳抓手。电力系统的低碳转型将持续加大可再生能源电力对传统煤电等化石能源电力的替代，以风电、光伏发电为主的可再生能源装机量及发电量将会进一步增长。已有大量的研究和报告针对未来碳中和目标下我国的电力结构进行了分析与预测，包括陆上风电和海上风电装机量，与集中式光伏及分布式的屋顶光伏装机量（CET,2023;IEA,2021;李政等,2021）。此外，光热发电的商业化进展较慢，其发电装机的预测数据较为缺乏。本节通过梳理已公开发布的相关研究报告，对未来碳中和目标下的风电和光伏的装机、发电量及技术构成进行总体的梳理，为未来我国风光发展的整体布局战略提供数据支撑与参考。当前主流的报告及研究对我国碳达