第1章绪论
1.1 世界可再生能源发展概况
世界可再生能源的利用伴随着人类文明的演进而不断发展，可再生能源逐渐被应用在生产和生活之中。人们早期仅对自然界中存在的可再生能源形式进行利用，如风干食物进行存储、利用河流运输木材、晾晒衣物和粮食等都是人类利用风能、水能和太阳能的行为。之后，人们开始借助工具开发可再生能源，将可再生能源转化为机械能。2000多年前，中国、巴比伦、波斯等国家开始利用古老的风车提水灌溉、碾磨谷物，并且16世纪90年代风车在荷兰盛行并达到了顶峰。此外，公元前200年至公元31年左右，欧盟的水轮和中国汉代的水排也相继出现，它们都是将水能转化为动能，并应用于生产中。19世纪60年代后期开始的第二次工业革命，将人类发展带入“电气时代” 。这推动了可再生能源开发利用的形式从“转化为机械能”发展到“转化为电能”，对太阳能和地热能的开发利用也逐渐增加。1860年，法国数学家奥古斯丁 穆肖特发明了世界上第一个太阳能蒸汽机（USDE，2021）；1882年，世界上第一座水力发电站在美国福克斯河上建成发电；1904年，意大利试验地热发电成功（Wikimili，2021）；1908年，世界上首批风力发电机组在丹麦问世；1913年，美国在埃及建成当时世界上*大的太阳热发电站（国家电力公司战略规划部，2002）。从第一座水电站投产至今，全球可再生能源装机从近乎为0增长为2020年的2802GW，发电量也在2020年达到6963.5TW h，占全球发电总量近29%（IRENA，2021）。
1.1.1 可再生能源消费量
全球能源需求的持续增长和气候变化的威胁迫切要求建立安全、高效、清洁的能源系统。各国普遍认为加大利用可再生能源是改变当前化石能源过度耗竭局面的一种有前景的方案。根据英国石油公司（British Petroleum Company，简称BP）2020年的统计数据，1990～2019年，世界可再生能源（水电和非水可再生能源）消费量由23.2EJ 增至66.6EJ，年均增速为3.7%，高于一次能源消费的2.4%和化石能源消费（石油、天然气和煤炭消费）的 2.2%，如图1-1所示。目前，全球一次能源消费总量中，化石能源消费占比仍超过80%，但资源相对受限，煤炭储采比为100年，油气储采比仅为50年，而可再生能源可以无限循环利用。全球能源结构转型已经成为共识。如图1-1 所示，相较于1990年，2019年全球的石油、煤炭和核能消费量占比分别下6.6%、0.2%和1.6%，而天然气作为一种清洁能源，消费占比增长3.7%；可再生能源消费（包括水电消费）占比由1990年的6.8%增至2019年的11.4%，增幅为4.6%。
图1-1 世界一次能源消费结构
近年来能源行业正在发生重大改变，两大新模式正在推动能源转型在世界范围内成为现实。一是当前的大型发电厂能够被分布式发电系统取代。这些小型可再生能源发电装置包括燃料电池、小型燃气轮机、小型光伏发电、小型风光互补发电，或燃气轮机与燃料电池的混合装置等。偏远地区或者贫穷国家的电力短缺问题有望得到彻底解决；二是多源遥感勘测、地理信息系统（geographic information system，GIS）、大数据分析、机器学习、区块链、虚拟现实（virtual reality，VR）、分布式能源管理和云计算等数字技术在能源行业的运用将成为新一代能源系统的控制及运行的核心。这有助于提高间歇性可再生能源消纳，促进分布式电网、微网、虚拟电厂等在更大范围的发展。
1990～2019年世界主要国家和地区可再生能源消费量如图1-2所示，其中消费增量的63.0%以上来自非经济合作与发展组织（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）国家。2005年中国的可再生能源消费量（包括水电消费量）增至32.6EJ，排名世界第一，并且30年间其消费增量占世界增量的比例约为38.4%。截至2020年底，水电、风电、光伏发电和生物质能发电分别连续16年、11年、6年和3年稳居全球首位（国家能源局，2021）。中国已经建成相对完备的可再生能源产业体系，包括全球*大的百万kW水轮机组自主设计制造能力，风速低于每秒7m的2MW的低风速风力发电机批量生产，世界首*高温熔盐槽式光热发电平台并网投入运营，多次刷新电池转换效率世界纪录等。美国的可再生能源消费量增长迅速，由1990年的3.6EJ上升至2019年的8.3EJ，年均增长4.3%。美国是世界上第一个将*大限度地利用可再生能源纳入能源安全战略的国家。由于可再生能源装备技术的进步，2008～2017年，风能和太阳能发电厂的能源生产成本分别下降了67.0%和86.0%（EI，2019）。
图1-2 世界主要国家和地区的可再生能源消费量
1.1.2 可再生能源发电量
为了实现可持续经济增长和缓解气候变化的双重目标，各国都在大力发展可再生能源，其中太阳能和风能发展迅速。1990～2019年，太阳能发电量由0.39TW h增至724.09TW h，年均增速高达29.63%；风力发电量由 3.63TW h增至1429.62TW h，年均增速为22.88%；生物质能和废弃物发电量占比增长速度相对缓慢，其消费量由93.66TW h增至660.81TW h，年均增速为6.97%，如图1-3所示。
图1-3 世界可再生能源发电量（1990～2019年）
全球可再生能源装备和技术水平大幅提升，可再生能源装机容量屡创新高。2001～2019年，水力、太阳能和地热能发电的*大市场都位于亚洲—大洋洲地区，其中，水力发电的年均新增装机容量为16.01GW，2019年累计装机容量为475.80GW，占全球水电累计装机容量41.7%；太阳能发电年均新增装机容量为18.19GW，2019年累计装机容量为345.92GW，占全球太阳能发电累计装机容量59.2%；地热能发电的新增装机容量出现下降，增长率为14.7% ，2019年累计装机容量为5.63GW，占全球地热能发电累计装机容量40.1%。风力发电的市场主要位于亚洲—大洋洲地区和欧洲地区，2019年累计装机容量265.67GW和202.10GW，占全球风电累计装机容量中份额为42.7%和32.5%，年均新增装机容量为13.89GW和9.97GW。19年间，生物质能和废弃物发电的*大市场在欧洲地区，其新增装机容量由2001年的1.61GW降至2019年的0.93GW，2019年累计装机容量为47.43GW，占全球生物质能和废弃物发电累计装机容量35.3%。亚洲—大洋洲和欧洲地区的可再生能源累计装机容量具体如图1-4所示。
1.1.3 可再生能源强度
1990～2019年世界可再生能源强度呈现波动上升趋势，如图1-5所示。受益于世界各国的能源消费结构转型，技术进步和可再生能源产业政策，1990～1995年，世界可再生能源强度由0.45EJ/万亿美元增至0.47EJ/万亿美元，增长了4.4%。然而，1996～2003年，世界可再生能源强度下降14.8%，其原因在于经济发展对化石能源消费的需求迅速增长，而可再生能源消费增长相对缓慢。这一时期石油、天然气和煤炭的消费量分别增长了10.5%、16.2% 和18.5%，而可再生能源消费量仅增长了7.0%。2004～2019年，世界可再生能源强度由0.40EJ/万亿美元增至0.51EJ/万亿美元，增长了27.5%。
图1-4 亚洲—大洋洲和欧洲地区的可再生能源累计装机容量
图1-5 世界及主要国家可再生能源强度变化
大部分世界主要可再生能源消费国家的可再生能源强度都实现了正向增长，但是增幅差异大。与1990年相比，英国的可再生能源强度上升*快，增幅为1013.6%。30年间英国的GDP（购买力平价法：2017年不变价美元）增幅为77.8%，远低于可再生能源消费的 1880.5%。为了改善严重的空气污染状况，20世纪90年代英国政府开始通过颁布一系列政策和法律调整能源结构，不断提高天然气及新能源的应用比例，如《环境保护法案》（1990年）、《非化石燃料义务》（1990年）、《可再生能源义务令》（2002 年）等。随后是德国，其可再生能源强度从 1990年的0.06EJ/万亿美元迅速增至2019年的0.51EJ/万亿美元，增幅高达750%。巴西的可再生能源强度上升速度相对较慢，增幅仅为20.4%，但是可再生能源强度*高，平均值为1.59EJ/万亿美元。印度的可再生能源强度呈现下降趋势。1990～2019年，印度的可再生能源强度从0.42EJ/万亿美元降至0.29EJ/万亿美元，降幅31.0%。这种现象的原因是印度的GDP（购买力平价法：2017年不变价美元）增幅为479.3%，其高速经济增长主要来源于基础设施的投资规模扩大，而这些投资需要投入大量非可再生能源，导致可再生能源消费增长相对缓慢；印度的煤炭、石油、天然气的消费增幅分别为305.3%、310.1%、414.8%，高于可再生能源消费的298.7%。此外，美国、中国、日本的可再生能源强度都呈现上升趋势，增幅低于36%。
1.2 中国可再生能源发展概况
1.2.1 可再生能源开发利用历史与现状
中国是世界上*早开发和利用可再生能源的国家，3100多年前的古书《周礼》
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