第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着全球变暖和能源安全问题越来越受到国际社会的重视，世界上很多国家都拟定了以低能耗和低污染为主要特征的低碳经济发展战略。把人类社会建设成为低碳的可持续发展社会，已成为世界各国政府的基本共识。作为一个全球能源消耗较高的国家之一，我国政府为了进一步缓解全球气候变化，实现社会经济可持续发展。我国向国际社会做出相关承诺“到 2020 年，我国的非化石能源消费占一次能源消费的比例将少于 15%”，“到 2030 年左右二氧化碳排放达到峰值”，“每单位国内生产总值形成的二氧化碳排放将比 2005 年减少了约 40 -45%”。然而，我国长期以来发电以火电为主，使电力行业成为我国最主要的碳排放部门，大大增加了减排的难度，成为阻碍我国完成节能减排战略的关键因素[1]。因此，要实现低碳经济发展实现低碳电力系统是其中一个重要方式。所能采取的有效手段就是大力发展可再生能源，并使可再生能源能顺利大规模接入电网，优化能源结构[2]。与其他可再生能源相比，风电近些年来已成为最受欢迎以及发展最快的可再生能源形式，其主要优势在于施工周期短，安全系数高。核能对于生态环境可能造成严重影响。水力发电已经处于成熟期，发展潜力已经很小，而且其对生态环境的影响目前仍然存有争议。太阳能尚未投入大规模使用，部分原因是其发电成本远远高于风电。经过多年的发展，风力发电行业产业化逐渐成熟，发展条件逐渐改善，发电成本已经越来越低，并开始接近常规能源。由于其技术迅速发展，已成为可再生能源领域一个最主要的发电技术，是大规模和商业化发展最有前景的技术之一[3]。根据国际能源机构(IEA)的数据，在世界可再生能源中风力发电装机容量所占比例从 2000 年的 0.5%增加到 2013 年的 8%[4]。到 2013 年底，全球风电累计装机容量达到 370GW。比 2001 年增长十几倍，年均增长率达到 20%[5]。随着未来越来越多的国家优惠政策以及能源发展战略的推出，风电仍将继续保持快速发展。
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1.2 国内外风电发展现状
近年来，全球风电发展迅速，在能源的多元化组合中扮演不可或缺的角色。风力发电具有可再生性、分布广和零污染等优越特性，也是目前可再生能源发电中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化前景的发电方式。从全球风电发展情况来看，在 2013 年新增装机容量出现小幅放缓之后，2014 年开始逐渐恢复并且又创新高。2014 年新增风电装机容量超过 51GW，全球风电装机容量达到 370GW，见图 1-2。风电发展前十名国家的装机容量占 2014 年全球累计风电装机容量的84%。截止到 2014 年底，至少 85 个国家出现了风电商业开发活动，而至少 74个国家拥有超过 10MW 装机容量的风电设备，24 个国家有超过 1 GW 的风电设备正在运行。相比之下，在 2005 年全球风电累计装机容量仅 11.5 GW，只有 11个国家累计装机容量超过 1GW。分区域看，亚洲仍然是世界上风电装机容量最大的地区，约占全球总装机容量的一半，其次是欧盟 2014 年约占全球总装机容量的 23%，2013 年这一比例约为 32%，2014 年北美地区风电装机容量约占全球的 13%。在全球电力供应方面，风电也扮演了越来越重要的角色。从全球看，截止 2014 年底，风力发电量约占全球总发电量的 3.1%，是除水电外发电量最高的可再生能源。2014 年欧洲风电发电量约占总发电量的 7.5%，在正常风力年份可以满足 10%的电力需求。其中丹麦、爱尔兰、葡萄牙以及西班牙等国风力发电量占总发电量的比例更高，超过 20%。德国某些地区已经实现 55%的电力需求可用风力发电就可满足。在美国，风力发电量约占总发电量的 4.4%，有些州超过了12%[11]。
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第二章 风电发展影响因素分析
2.1 风电发展成本影响因素
由于风电相关技术的进步和效率的提高使得风电发展成本大幅减少，风电已经成为世界上最经济、实惠和清洁的电力之一。一般来说，影响风电发展成本的因素主要包括两个方面，一是建设及运营成本，二是减排收益。风电建设以及运营成本包括两个部分，建设成本以及运营成本。建设成本包括购买风力发电设备的成本，为了风电场建设所修建的运输道路的成本、风电基建成本、风电安装成本以及并网成本。建设成本一般占整个风电项目总成本的 75-85%。运营成本包括风电场的运行和维护费用、土地租金、税收等成本，通常占项目总成本的 20%左右。风电成本根据所在国家以及选址不同会产生很大差异。例如，在欧洲的风电建设以及运行维护各项成本就比较高，陆上风电建设成本大概在 800-1150 欧元/kW，发电成本约为 4-7 欧分/kWh。在中国和印度等发展中国家成本相对较低，我国风电建设成本大概在 8000 元/kW 左右，发电成本大概在 0.35-0.5 元之间[41]。图 2-1 以及图 2-2 显示了陆上以及海上风电各项成本占总成本构成情况。目前海上风电项目的成本是远远高于陆上风电项目的，海上风电建设成本约为 1250-1800 欧元/kW，发电成本约为 7.1-9.6 欧分/kWh。但海上风电的建设成本正在迅速下降，下降速度快于陆上风电。根据国际能源署研究，由于对风电技术的持续研究以及各国对风电项目的大量资金的投入，到 2050 年海上风电成本将减少 45%，陆上风电建设成本将减少 25%[42]。由于风电具有无污染、零排放的特性，因此对风电成本进行分析时，就需要考虑使用风力发电所减少的二氧化碳排放给社会带来的福利。在本文中我们以风力发电取代化石能源所减少二氧化碳的数量乘以碳交易价格来作为风电减排的收益。2011 年国家发改委宣布，计划在北京、上海、天津、重庆、广东、湖北和深圳建设 7 个碳排放交易所试点项目，通过这一计划所设立的碳排放交易所从2013 年开始投入使用。截止于 2014 年 4 月，6 个地方试点交易所已经开始交易(见表 2-1)，重庆碳排放交易所也将在 2014 年开始进行交易。
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2.2 风电发展政策
毫无疑问，中国风电产业的快速增长与近年来政府在政策上的支持是分不开的，特别是在 2005 年颁布的《可再生能源法》给可再生能源提供了一个强有力的法律保障。更为重要的是，使得我国有了一整套完整的可再生能源法律框架，对我国风电长期稳定发展提供了法律保障。在《可再生能源法》颁布之后，国家发改委先后发布了《可再生能源发电有关管理规定》和《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》对风电开发商、电网企业的义务和权利作出解释。随可再生能源法配套的一系列包括了风电总体规划、风电场运行、上网电价补贴、风电接入标准等等相关政策的出台也极大地促进风电产业的健康发展，相关政策法规见表 2-2。我国为了进一步规范风电开发建设进程，协调风电相关产业发展，先后发布了《可再生能源中长期发展规划》《可再生能源发展“十一五”规划》《可再生能源发展“十二五”规划》《风力发电科技发展“十二五”专项规划》《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》等。上述规划主要围绕集中式与分布式、陆上与海上、技术促进与产业发展、风电制造设备自主化、促进市场竞争等方面展开的。依据“十二五”规划，中国可再生能源发展目标如下，截止 2015 年我国可再生能源占一次能源消费比重要达到 9.5%，到 2020 年占一次能源消费比重将要达到15%。为了达成这一目标，需要合理的控制整体的能源消费，提高风电的利用效率。到 2015 年，我国风电总装机容量要达到 104GW，发电量要达到 1900 亿千瓦时。此外中国还将建立 5GW 海上风电试点项目，形成完整的海上风电产业链。到 2020 年我国海上风电装机容量要达到 30GW，技术水平达到世界先进水平，最终建成世界上最大的海上风电国家。
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第三章 研究方法与模型........19
3.1 广义巴斯模型......19
3.2 风电成本模型......21
3.3 本章小结.......22
第四章 结果与讨论.........24
4.1 全国风电发展路径研究...........24
4.1.1 全国风电发展技术扩散分析......24
4.1.2 全国风电发展成本灵敏度分析.........26
4.2 基于广义巴斯模型的八大风电基地技术扩散研究.........28
4.2.1 新疆.....28
4.3 各地区风电技术扩散趋势预测.....38
4.4 本章小结......41
第五章 总结与展望.........43
5.1 总结........43
5.2 展望.......44
第四章 结果与讨论
本章将通过广义巴斯模型以及风电成本模型的计算结果对全国以及八个千万千瓦级风电基地所在区域风电发展路径进行分析。之后利用广义巴斯模型计算的参数结果，对我国以及各省的风电发展路径进行短期预测并对技术扩散趋势进行分析。主要数据来源为中国风能协会的《中国风电场装机容量统计》、国家电网公司的《国家电网统计年鉴》、中电联的《电力工业统计资料汇编》所提供的全国以及八个风电地区——新疆、甘肃、河北、江苏、山东、蒙东、蒙西、吉林的 1997-2013 年风电装机容量以及发电量数据。由上一章的模型推导可知，外生变量对风电发展的影响是通过冲击参数a 、b、c 进行量化描述的。因此，需要利用全国以及八个主要风电发展地区的装机容量对模型进行参数估计。一般来说非线性参数估计都会选择非线性最小二乘法来进行计算，通过确定初值进行迭代，得到了相关参数结果。典型的迭代算法包括牛顿法、高斯迭代法、麦夸特法、变尺度法等。因此，本文利用 Matlab 软件平台，采用非线性
