截至2018年底
当全世界发电量增速仅为3.7%时
中国却以8.4%的迅猛增速领跑全球
全年发电量达到71118亿千瓦时
几乎是以“一己之力”
生产了全球超过1/4的电量
平均每2秒产生的电力
就足以满足一个中国人
一辈子的电力需求
▼上文中国人的平均寿命按76岁计，人均用电量参考2018年数据；下图为2018年世界各国发电量TOP10，制图@郑伯容/星球研究所
不仅如此
放眼全球233个国家和地区
中国还是第一个
也是唯一的一个
拥有近14亿的超庞大人口
却依然能做到全民通电的国家
展开全文
▼上海夜晚卫星图，灯火通明的城市，图片来源@NASA
中国，究竟是如何做到的？
I
70.4%
在这71118亿千瓦时的电力中
70.4%来自于火力发电
可谓是全国电力的大半壁江山
▼2018年中国火力发电量占比，制图@郑伯容/星球研究所
高耸的烟囱或宏伟的冷水塔
是火力发电厂最常见的特征
▼随着处理工艺的进步，火电厂的烟囱逐渐被脱硫塔取代；下图为雾气中的冷水塔，电厂中被加热的冷却水在冷水塔中冷却后循环使用，摄影师@孟祥和（请横屏观看）
煤炭、石油、天然气
甚至秸秆、垃圾等等
都是可用于火力发电的燃料
由于燃料易得、技术成熟
火电厂的分布极为广泛
在大江南北遍地开花
▼内蒙古霍林郭勒锦联电厂，摄影师@鹿钦平
▼临水而建的广州市华润热电厂，摄影师@陈国亨
而在中国这个“煤炭大国”
火力发电则又命中注定
将成为燃煤电厂的天下
其装机容量在所有火电厂中
占比几乎接近90%
全国5800多处大小煤矿
年产约36.8亿吨原煤中
超过一半的产量
都将运往这些电厂熊熊燃烧
▼以上数据来源中电联《2018-2019年度全国电力供需形势分析预测报告》；下图为安徽宿州汇源发电厂，右下角为电厂储备的煤炭，摄影师@尚影
这就意味着
火力发电的版图
必然与煤炭生产的格局息息相关
在煤炭资源相对丰富的北方地区
火电装机容量占比超过70%
是最主要的电力来源
▼以上“北方地区”包括东北、西北(除青海省外)和华北地区，以及山东和河南两省；下图为2018年全国各地区发电类型及装机容量占比，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所
然而“出人意料”的是
山东、江苏、内蒙、广东、河南
山西、浙江、安徽、新疆、河北
以上火电装机容量排名的前十位中
多个南方沿海省份同样赫然在列
甚至远超诸多煤炭大省
这些“特殊”的地区
往往人口密集、经济发达
对电力的需求格外旺盛和强烈
▼2018年全国各省、直辖市和自治区用电量对比，制图@郑伯容/星球研究所
在迫切的用电需求下
众多火电厂拔地而起
例如仅在广东一省
2017年的火力发电量
已达到3165亿千瓦时
比产煤大省山西还要高出26%
而要产生如此量级的电力
用于发电的煤炭将以亿吨计算
然而
像广东这样的电力负荷中心
大多并非煤炭产区
距离最近的煤炭基地
也可能相隔千里之遥
如此大量的煤炭该从何而来？
▼我国使用的煤炭包括自产和进口两部分，但煤炭进口量目前仅为全国煤炭消费量的约1/10，因此下文主要讨论自产煤炭的供应。下图为广东省广州市华润热电厂，摄影师@刘文昱
但是电厂与负荷中心之间
有时相隔达到数千千米
这又该如何解决？
答案其实很简单
就是输电
但要实现起来却并非易事
毕竟在如此遥远的输电距离下
线路的阻抗已然无法忽略
人们只能尽量降低传输电流
才能最大程度地减少线路损耗
这就意味着
传输功率一定的情况下
在保证经济性的同时
必须尽可能提升输电电压
▼传输中的损耗Q可以通过公式Q=I²Rt计算，当电阻R无法忽略时，电流I越小，则损耗越小；而输电功率计算公式为P=I×U，因此当功率P额定时，为了降低电流I，则必须提升电压U；下图为康定折多山云海中的线塔，摄影师@李珩
1954年时
我国自行设计施工了第一条
220千伏的高压输电线路
传输距离369千米
但已落后世界大概30年
65年过去
从高压到超高压
从超高压到特高压
远距离输电技术突飞猛进
目前最高电压等级已达到
交流1000千伏和直流±1100千伏
单条线路的输电距离更是突破3000千米
相当于乌鲁木齐到南京的直线距离
在全世界首屈一指
▼对于交流输电，35-220千伏称高压，330-1000千伏为超高压，1000千伏及以上为特高压；对于直流输电，±400-±660千伏为超高压，±800千伏及以上则为特高压。下图为酒泉至湖南±1100千伏特高压直流输电线路，摄影师@刘忠文
铁路和输电两张网络纵横交错
让无论是位于负荷中心
还是地处矿口、港口的火电厂都能共同发力
成为我国电力工业的中流砥柱
然而
尽管火力发电厂的
除尘、脱硫、脱硝技术日益成熟
但化石燃料的消耗、温室气体的排放
让人们不得不继续寻找更为清洁的电力
水电便是其中之一
II
88%
在中国
无论是水力资源的蕴藏总量
还是可开发的装机容量
均稳居世界第一位
如此丰富的水能资源
如此巨大的开发潜力
注定着水力发电在我国
将拥有至关重要的地位
其发电量占比达到17.6%
与火力发电一起
供给了全国88%的电力
▼2018年中国水力发电量占比，制图@郑伯容/星球研究所
水力发电利用流水势能
持续推动水轮机旋转
继而带动发电机产生电力
全程既不需燃料、也无废气排放
相比火力发电更加清洁
▼白鹤滩水电站正在修建的水轮机室(也称“蜗壳”)，用于将水流沿圆周方向导向轮机，摄影师@李亚隆
2018年
全国水力发电量达12329亿千瓦时
相当于节约煤炭近4亿吨
此外，水电站经过合理的选址和设计后
还可兼具防洪、航运、供水
▼长江三峡水利枢纽工程中的五级船闸，上下水位落差可达113米，相当于35层楼的高度，摄影师@李心宽
以及调水、排沙等功能
▼黄河小浪底水电站，摄影师@邓国晖
又或者在上游库区
形成别具一格的风貌景观
▼新安江水库，千岛湖，图片来源@VCG（请横屏观看）
然而
我国的水力资源分布同样极不均衡
其中西南地区高山峡谷众多
大江大河穿流其间、奔腾而下
几乎集中了全国超过60%的
可开发水力资源
金沙江、怒江、澜沧江
大渡河、乌江、雅砻江
再加上南盘江和红水河
以及长江上游等
全国十三大水电基地中
西南地区独占8席
▼长江上游水电基地指长江宜宾到宜昌段；中国大型水电站分布(装机容量大于120万千瓦)，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所
“西电东送”
▼“西电东送”格局，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所
当然
水力资源的开发并不是无限的
上游的淹没、大量的移民
以及对河流生态的影响
一直都是水力发电无法回避的话题
因而水电站的建设往往需要
经过极为严格的评估和论证
人们也需要寻找更多的清洁能源
其中最主要的便是风能和光能
III
95.7%
火力和水力两种发电方式
已为全国人民贡献了88%的电量
若加上风能和太阳能的出力
便能满足中国人95.7%的用电需求
▼2018年中国风能和太阳能发电量占比，制图@郑伯容/星球研究所
但风和光的利用却并不容易
在风力发电中
气流推动风机叶片持续旋转
便能带动发电机产生电力
▼河北省张家口风电场的风机，摄影师@刘高攀
风机叶片的尺寸和重量十分巨大
单叶长度可达数十米以上
对运输和安装都是巨大的挑战
▼运输中的风机叶片，摄影师@李旭安
而在太阳能光伏发电中
单个太阳能电池的工作电压
一般仅有0.4-0.5伏
工作电流也十分微弱
只有将其不断串联并联
令多个电池拼装成组件
多个组件排列成为阵列
才能达到足够的发电功率
▼福建松溪光伏发电，摄影师@在远方的阿伦（请横屏观看）
太阳能光热发电也同样如此
只有利用足够多的镜面
才能汇聚足够多的热量
从而产生足够多的蒸汽
推动汽轮机持续旋转
光伏发电和光热发电是太阳能发电的两种主要形式；下图为位于敦煌的光热发电站，中间的高塔顶部用于吸收太阳能，也称塔式光热电站
总而言之
无论是风能还是太阳能
若要进行大规模发电
往往需要较大的占地面积
从而带来较高的建造成本
尤其在人口密集、土地紧张的东部地区
提高土地利用率更为重要
▼“渔光互补”，在鱼塘上架设光伏发电板，上面发电、下面养鱼，拍摄于浙江省宁海县，摄影师@潘劲草（请横屏观看）
而另一方面
正如水电在丰、枯水期的波动
风能和太阳能同样无法避免
时间、气候等带来的影响
甚至短短一天内的昼夜交替、风云变幻
都会改变发电的连续性和稳定性
因此为了减小对电网的影响
人们开始将风、光、水、火
各种发电方式组合起来、相互调节
从而得到较为稳定的电力输出
▼风光互补系统，位于内蒙古卓资县，摄影师@焦潇翔
又或者在负荷较小时
将多余的电力转化、储存起来
等到用电紧张时再行释放
以便维持稳定的供电
▼目前的蓄能方式包括蓄电池、飞轮蓄能、抽水蓄能、电解水蓄能和压缩空气蓄能等；对于抽水蓄能电站，电力富余时可从下水库抽水至更高的上水库，用电时水再从上水库流至下水库，利用水力发电的原理发电；下图为天荒坪抽水蓄能电站，左上为上水库，右下为下水库，摄影师@潘劲草
第三方面
和水能资源类似
我国的风能和太阳能资源
分布同样极不均衡
其中风能资源最为丰富的是
东部和东南沿海地区
全国风速超过7米/秒的地区
绝大多数都集中于此
▼江苏大丰海上风机，摄影师@朱金华
但由于地形限制
这片区域仅在海岸线和沿岸的山脉间
形成极为狭窄的条带
相较之下
在我国三北地区
风能资源不仅丰富
还能大面积连片分布
▼三北地区即西北、华北、东北地区，下图为中国风能资源分布，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所
内蒙古地区也因此成为
我国最重要的风电基地之一
其2017年风力发电量达到551亿千瓦时
相当于全国风力发电量的近20%
▼内蒙古辉腾锡勒风力发电场，注意风机和高压电塔的高度，摄影师@石耀臣
而我国的太阳能资源
则在西部内陆地区最为丰富
包括青藏高原西部、新疆南部
以及宁夏、甘肃北部等
这些地区的全年日照时间
可达3200-3300小时
相较之下太阳辐射最为薄弱的
四川和贵州等省份
年均日照时间仅有约1100小时
▼中国太阳能资源分布，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所
由此可见
我国西部和西北地区
不但风、光资源丰富
同时人口稀疏、土地广袤
随着技术进步和成本的降低
风电和太阳能发电的规模也越发庞大
▼位于甘肃金昌的大规模风电场，摄影师@刘忠文（请横屏观看）
然而这些区域人口较少
用电需求也相对平缓
例如2015年
甘肃省发电装机容量达到4531万千瓦
但最大用电负荷仅1300万千瓦
新疆也同样如此
其装机容量超过5000万千瓦
而用电负荷需求仅为2100万千瓦
这就意味着
若仅仅依靠本地用电
将面临大量的能源浪费
更何况火电的调峰和供热作用
无论如何也难以被完全替代
这对于风能和太阳能电力的消纳
可谓是”雪上加霜“
▼新疆哈密天山脚下的风力发电场，摄影师@常力
于是近年来
"弃风""弃光"等问题层出不穷
甚至到2017年
整体情况已明显向好时
全国的弃风、弃光率仍为12%和6%
而在甘肃、新疆等地
弃风率甚至高达33%和29%
一面是西北地区
大量的新能源无处安放
一面是东部沿海
大量用电需求嗷嗷待哺
在这种形势下
远距离、跨区域的输电工程
必须再次扛起重任
2014年和2017年
两条从西北地区向外辐射的
±800千伏直流输电工程相继完工
第一条从新疆哈密出发
途经六个省份到达河南郑州
全程2210千米
每年可将新疆地区的火电、风电
共计约370亿千瓦时的电量
源源不断送往中原大地
▼哈密南-郑州±800千伏特高压直流输电工程，是我国首个“疆电外送”特高压工程，摄影师@周修建
第二条则从甘肃酒泉出发
途经5个省份直奔湖南湘潭
全程2383千米
在其每年送出的约400亿千瓦时的电力中
超过40%均来自西北地区的风电和光电
▼酒泉-湖南±800千伏特高压直流输电工程，摄影师@陈剑峰
而在2018年
又一条大名鼎鼎的特高压工程正式贯通
其电压等级高达±1100千伏
年均输电量达660亿千瓦时
相当于凭此一条输电线路
便可外送整个青海省全年的发电量
这便是准东-皖南特高压输电工程
（也称昌吉-古泉特高压工程）
▼准东-皖南±1100千伏特高压输电工程，摄影师@宋鹏涛
线路从新疆昌吉自治州出发
途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽6省
以6079座铁塔
支撑起3324千米的输电线路
沿途接连跨越秦岭和长江天堑
最终抵达安徽宣城市
无论是电压等级、传输容量
还是传输距离、技术难度
均为世界范围内的“开山之作”
是名副其实的“超级工程”
借由这条超级电力走廊
新疆地区520万千瓦的风电
以及250万千瓦的光伏发电
能够被打捆送往长三角地区
▼建设中的准东-皖南±1100千伏特高压输电工程，摄影师@宋鹏涛
我国仍是全球唯一能够建设
±1100千伏特高压直流输电的国家
也是特高压输电领域的
国际标准制定者之一
这对于中国来说
虽是时代发展的必然之路
也是当前能源格局下的“无奈之举”
让更多人用上更便宜、更清洁的电力
是无数电力工作者孜孜以求的目标
▼“空中飞人”，拍摄于北京大兴国际机场500千伏输电工程施工现场，摄影师@周治林
IV
100%
风、光、水、火四种方式
已生产了全国95.7%的电量
冲击100%的最后一棒
则属于核电
▼2018年中国核能发电量占比，制图@郑伯容/星球研究所
和火力发电类似
核电燃料可以运输
能量产出也较为稳定
基本不受气候、时间的影响
但和火力发电不同的是
装机容量100万千瓦的核电厂
每年仅需核燃料25-30吨
▼现商用的核电站均为裂变反应，燃料为铀核燃料，下图为浙江台州市三门核电厂，摄影师@李亮杰
这就意味着
核电的燃料运输成本将大大降低
因此我国目前建设的核电站
均远离原料产地
位于用电负荷中心附近
即东部和东南沿海地区
▼中国核电站分布，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所
中国的核电起步较晚
直到1991年
浙江秦山核电站开始发电
才有了第一座自行设计建造的核电站
而当时世界上其他国家
已有420余台核电机组投入运行
提供着全球16%的电力
随后的近30年间
在引进国外先进技术的基础上
中国核电技术逐渐开始自主化
2018年并网发电的广东台山核电站
是全国首次引进第三代核能系统
▼台山核电站，图片来源@Esri Image Map
截至2018年底
我国核电装机容量达到4466万千瓦
而预计到2020年
全国核电装机容量将达到5800万千瓦
每年将替代1.74亿吨煤炭燃烧
减排约4.3亿吨二氧化碳
然而
因此核电厂的建造成本十分高昂
单位造价可高达火电的2-3倍
令核电一度在争议中艰难发展
但随着工艺的进步和社会认知的深入
甚至核聚变技术的突破
回首建国前夕
全国发电装机容量仅184.86万千瓦
历经38年的筚路蓝缕
才终于突破1亿千瓦大关
而从1亿到2亿千瓦
再从2亿到3亿千瓦
8年和5年
到2009年
跻身世界第一位
之后更以每年约1亿千瓦的速度突飞猛进
▼建设中的乌东德水电站，摄影师@李亚隆
不仅如此
截至2018年底
全国共有220千伏以上输电线路
共计733393千米
18圈
▼新疆伊犁至库车750千伏交流输电工程，摄影师@宋鹏涛（请横屏观看）
其中21条特高压输电线路
▼中国特高压输电网络，制图@郑伯容&巩向杰/星球研究所
评论 (0)