0 引 言

能源是维系人类生存、支撑人类发展最重要的物质基础之一。长期以来，煤炭、石油、天然气等化石能源的大规模工业化利用提高了生产力，支撑着人类工业文明的发展。然而，化石能源储量有限且不可再生，化石燃料的生产与使用会带来环境污染、全球气候变暖等问题，以化石能源为基础的传统能源生产和消费方式亟待转变。与此同时，风能、太阳能等清洁能源开发成本大幅下降，且会随着技术的进步而近一步降低。取之不尽用之不竭、环境友好的可再生能源大规模替代化石能源成为必然趋势，在世界范围内建立安全、可靠、经济且环保的现代化能源供应体系是世界各国努力的方向^[1-5]。

我国倡导的全球能源互联网是构建现代化能源供应体系，实现能源清洁化利用，在全球范围进行能源资源优化配置，进而彻底解决人类能源供给和环境问题的重要途径^[6-8]。然而，构建全球能源互联网的美好愿景仍需大量的理论研究和实践探索，从而进一步丰富、完善全球能源互联网的理论体系和构建方法。

本研究以分析全球能源互联网与可再生能源基地的关系为起点，探讨阐述了我国西北大规模可再生能源基地对全球能源互联网构建的支撑作用。首先给出了全球能源互联网的含义及其特征，结合可再生能源的分布规律阐明了大规模可再生能源基地在全球能源互联网中的重要地位。随后从自然条件、社会条件、技术条件等信息出发，分析了我国西北大规模可再生能源基地的建设优势和发展潜力，并结合亚洲超级电网设想和未来世界能源格局分析了我国西北地区可再生能源基地对构建全球能源互联网的支撑作用。

1 全球能源互联网与可再生能源基地

作为构建新型现代化能源供应体系的重要途径，我国倡导的全球能源互联网以大型可再生能源基地为基础，在发电侧推动清洁可再生能源对传统化石能源的替代；以特高压技术和智能电网技术为依托，在电网侧逐步实现国内互联、洲内互联和洲际互联；以电热设备、电气化轨道交通、电动汽车等新型电能利用技术为手段，在负荷侧推动电力对煤炭、汽柴油等一次能源直接消费的替代。通过提高全社会电气化水平，推动人类能源利用形态的本质性改变，实现以清洁和绿色方式满足世界电力需求、变革人类工业文明发展方式的目标^[8-10]。

可再生能源的大容量接纳和高效配置是全球能源互联网的重要特征。然而，可再生能源富集区往往与生产力发达地区逆向分布。比如，北极地区占有陆地风电资源的20%，技术可开发量接近1 000亿kW，赤道地区太阳能开发潜力占全球总量的30%。然而由于恶劣的自然条件和社会发展的差异，北极地区和赤道附近的北非、东非等地人口稀少，能源需求量较低。因此，除分布式开发、就地利用可再生能源外，建设可再生能源基地并进行远距离大容量输送，实现规模化集中式开发、大范围消纳将成为人类利用可再生能源的主要形式，“一极一道”能源开发构想即为具体体现^{[8, 11-12]}。

我国西北地区光能、风能富足，但人口较少、生产力水平相对落后，而中东部地区人口集中、生产力较为发达，是典型的能源消费中心。在我国西北地区规划建设大规模可再生能源基地，向东输送电力从而满足全国电力需求，是我国规模化集中式开发、全国优化配置可再生能源，构建全球能源互联网的重要实践探索。

2 我国西北地区可再生能源基地的建设优势和发展潜力

我国西北地区包括新疆维吾尔自治区、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、陕西省以及内蒙古自治区的部分地区。该地区风、光等可再生能源资源丰富，地广人稀，架设大面积的风机和太阳能电池板对人们生活影响小，适合建设大规模可再生能源基地。

2.1 我国西北地区可再生能源基地建设的自然条件

我国风能资源丰富和较丰富的地区主要分布在三北地区(东北、华北、西北)和沿海及其岛屿，如图 1所示^[13]。统计数据表明^[13-15]：我国西北地区风能资源储量大约占全国陆上风能资源的1/3。其中，新疆维吾尔自治区风能资源理论开发储量约为473.3 GW，青海省约为308.5 GW，甘肃省约为145.6 GW，宁夏回族自治区和陕西省风能资源储量相对较低，约为48.5 GW；五省风能资源理论可发开量达到了9亿kW以上。

我国西北地区也是太阳能资源富集的主要区域之一。图 2和图 3(不包括港澳台)给出了我国陆地太阳辐射和日照时间分布。我国西北地区太阳能年总辐射量约相当于3 300亿t标煤^[16-18]，为我国2013年能源总需求(38.5亿t标煤)的80多倍。分析图 2和图 3可知：新疆维吾尔自治区东南部、甘肃省西部、青海省西部单位面积的年辐射总量超过1 000 kW·h/m²，年日照时间达2 800~3 300 h；新疆维吾尔自治区南部、甘肃省中部、青海省东部、宁夏回族自治区南部、内蒙古自治区地区单位面积的年辐射总量也均在800 kW·h/m²以上，年日照时间为3 000~3 200 h，远高于我国年单位面积辐射量平均值和年日照时间平均值。

综上可知：我国西北地区风能、太阳能等可再生能源均十分丰富，具有优越的建设大规模可再生能源基地的自然条件。

2.2 我国西北地区可再生能源基地建设的社会条件

我国西北地区大部分属于温带大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季高温少雨，主要地貌为草原及土地沙漠化形成的戈壁、沙滩。气候特点和地貌特征使得西北地区地广人稀，占全国30%的面积生活着全国4%的人口，且大量人口采用放牧的生活方式。

与常规化石能源不同，可再生能源通常能量密度较低，开发利用需要占用大面积的土地资源。我国西北地区地广人稀的特点及牧区的生活方式，会大大减小建设能源基地对人们社会生活的影响。在草原上架设风机通常不影响牧民放牧，而在无人居住的退化草场、戈壁、沙滩上架设风机、铺设太阳能电池板不仅不会影响人们生活，还有利于减小蒸发量，减弱大风对土地的侵蚀，遏制土地沙漠化。严陆光、周孝信等院士也已经提出充分利用荒漠地区的特点，在我国西北地区构建大规模综合能源基地的构想^[19-20]。

2.3 我国西北地区可再生能源基地建设的技术条件

风力发电技术过去十几年进步明显。风机最大单机容量已由20世纪初的1 MW升至8 MW，而发电成本下降了90%。同时，材料科学和机械科学的发展增强了风机对极端气候条件的适应性；风电预测精度的提高和运行调控技术的进步减小了风电对电网的不利影响，间接提高了电网对风电的接纳能力。太阳能发电技术亦发展迅速，其核心部件——太阳能电池板的转化效率在不断提高，成本逐步下降。高效率多结叠层太阳电池转换效率已达46%，而硅基太阳能电池成本已经下降到光伏发电系统总成本的30%以下。

目前，陆上风电、海上风电和光伏发电的成本已分别降至0.4、0.6和0.7元/(kW·h)左右^{[8, 21]}。更加成熟稳定的发电技术和更低的发电成本，为大规模可再生能源基地建设提供了坚强的技术支撑。

2.4 我国西北地区可再生能源基地的发展潜力

我国西北地区可再生能源的开发已开展多年，其风电装机容量已达15 364.5 MW^[22]，总装机容量和增速均保持全国领先。图 4给出了截止2014年我国各省市自治区风电装机容量分布，表明了我国西北地区风能资源开发走在了全国的前列。然而，西北地区现有装机容量还不到其理论开发总量(约9亿kW)的1/60，仍有巨大的开发潜力。

与风能相比，我国西北地区太阳能资源更为丰富，且开发利用起步较晚。图 5给出了我国荒漠分布，对比该图与图 2、3可见：荒漠地区太阳能辐射均十分强烈且日照时间长，蕴藏了丰富的太阳能。例如，青海省格尔木地区2015年太阳辐射量为7 025.62 MJ/m²(据Retscreen软件获取的NASA气象数据计算而得)，如果光伏电池板的转换效率为20%，光伏铺设面积为占地面积的50%，那么光伏阵列每年平均可发电量为195 kW·h/m²，铺设2.98万km²的光伏系统即可达到我国(未包含港台地区)2015年的全年发电量5.81×10¹²kW·h^[23]。

中国荒漠化土地总面积为264万km²，若全铺设天阳能光伏发电系统，仍按20%转换效率和50%土地利用率计算，并考虑各地太阳能资源分布的差异，全年发电量将达到2015年全年发电量的44倍。

3 我国西北地区可再生能源基地与亚洲超级电网

在我国西北地区可再生能源基地将推动可再生能源对传统化石能源的替代，而电气化轨道交通、电动汽车等的发展将提高电能在终端能源消费中的比例，推动电能替代。“两个替代”是构建全球能源互联网，实现清洁、可持续的能源生产和消费的关键。同时，为实现能源生产中心和消费中心的互联互通，进而大范围优化配置能源资源，需要依托特高压输电技术和智能电网技术，构建全球互联电网，根据需要远距离大容量输送清洁电力。

目前，我国已基本实现全国联网，可优化配置全国电力。在全国联网的基础上，结合我国西北地区可再生能源基地建设，打造洲内互联的亚洲超级电网，可加速实现以清洁可再生能源满足亚洲各国经济社会发展能源需求。亚洲超级电网将覆盖由日本、韩国、朝鲜、蒙古、中国(东北及华北地区)、俄罗斯(远东地区)组成的东北亚地区，印度等南亚地区，哈沙克斯坦等中亚地区以及俄罗斯北部的北亚地区，满足超过全球60%人口的能源需要。

根据可再生能源在世界范围内的分布特点及对未来世界各地的负荷预测^[10]，可绘制以可再生能源基地互联为核心的亚洲超级电网示意图如图 6所示。图中红色和绿色圆圈分别表示石油生产中心和可再生能源生产基地，圈面积表示所提供能源的数量。分析图 6可知：亚洲超级电网将连接中国西北地区、俄罗斯北极地区以及中亚地区的可再生能源基地，为中国东南沿海、日本和俄罗斯等负荷中心提供电力。根据各地区自然资源分布和经济发展水平的不均衡，制定合理的价格补偿机制和能源交易规则，可在亚洲内部优化配置可再生能源，推动亚洲超级电网设想的实现。

实际上，亚洲各国已就亚洲超级电网或其部分电网的构建开始接触和谈判^[24-25]。2013年3月，蒙古能源部、俄罗斯能源研究院、韩国能源经济研究院、日本可再生能源基金会、能源宪章秘书处签订了理解备忘录(Memorandum of Understanding，MOU)，联合开展亚洲超级电网的可行性研究。未来，亚洲超级电网还可以向西与欧洲联网，向西南与非洲联网，形成覆盖欧洲负荷中心和非洲可再生能源基地以及亚洲全境的跨洲电网。

作为全球能源互联网的局部形态，亚洲超级电网亦以可再生能源大范围优化配置为目标，其构建需要以可再生能源基地建设为基础和起点。可再生能源基地将是亚洲超级电网的能量源头和配置对象，是构建超级电网驱动力的主要来源和重要支撑。我国西北地区可再生能源基地建成后，将会有巨量清洁可再生能源电力需要在全国、乃至亚洲进行配置，衍生出巨大的能源互联网建设驱动力，推动构建亚洲超级电网设想的实现，为全球能源互联网的构建提供示范和支撑。

4 未来世界能源格局

石油作为当前能源供应体系中的重要能源形式，其生产和交易分布在一定程度上反映了当前世界能源格局。图 7给出了2014年全球石油贸易流量分布^[26]。由图 7可知：当前石油的主要产地如中东、俄罗斯远东、北美、西非等地构成了世界的主要能源生产中心，而中、美、印、欧为能源消费中心，是能源输送的受端。能源生产中心主要通过海路、陆路等方式与能源消费中心连接，通过海运及输油管道实现石油能源的运输。图 8给出了与图 7对应的世界能源中心示意图，反映了当前世界能源格局。

随着可再生能源开发利用规模的扩大和电能消费比重的提高，以化石能源为主的能源体系将会被以可再生能源为主的能源体系替代，从体系构成、能源中心的地理位置及分布特征、能源交易形式等多个方面改变能源供应体系。在未来世界人口总量及人均能源消费水平预测基础上，可预测未来世界能源总需求^[10]。若假定可再生能源开发保持当前增长速度，且按资源蕴藏量成比例分布于各可再生能源富集区，则可进一步预测未来世界不同时期的能源格局，结果如图 9、10所示。图中红色和绿色圆圈含义与图 6相同，红色面积的减小体现了可再生能源对化石能源的替代。

图 8~10反映了未来世界能源格局的变化过程和在全球能源互联网影响下的最终形态。由能源中心的变化规律可知：(1) 随着可再生能源开发利用规模加大，传统能源生产中心的能源供给量逐渐减少，能源中心地位逐渐弱化，可再生能源基地能源供应量逐步增加，影响逐渐增强；(2) 传统的较为集中的单一化石能源生产中心向着分布较为分散的可再生能源基地与化石能源中心共存的形式发展。

图 10的世界能源格局远景表明：可再生能源将替代传统化石能源成为人类主要利用的能源形式，而传统化石能源成为能源供应体系中辅助能源形式。与传统化石能源的开采和运行方式不同，可再生能源不可存储，只能转化为电能进行输送和利用，大范围互联电网需求显著增加。此外，未来能源中心分布更加分散，其与能源消费中心之间的联系必然要更加灵活和健壮。这需要坚强、智能、灵活的互联电网予以保证，全球能源互联网是满足上述需求的重用途径。

5 结 论

我国西北地区具备优秀的建设大规模可再生能源基地的自然条件、社会条件和技术条件，发展潜力巨大。以此为基础发展建设亚洲超级电网，进而建立全球互联电网对于构建全球能源互联网具有重要的示范和支撑作用。对世界能源中心变迁和未来能源格局的分析也进一步表明了大规模可再生能源基地是构建全球能源互联网的主要驱动力来源。作为全球能源互联网的首倡国，开发建设我国西北地区可再生能源基地，进而支撑、推动全球能源互联网的构建，为世界各国提供典范，是我国对构建全球能源互联网的重要实践探索，必将助力实现全球能源互联网这一伟大设想。