截至2018年底
當全世界發電量增速僅為3.7%時
中國卻以8.4%的迅猛增速領跑全球
全年發電量達到71118億千瓦時
幾乎是以“一己之力”
生產了全球超過1/4的電量
平均每2秒產生的電力
就足以滿足一個中國人
一輩子的電力需求
▼上文中國人的平均壽命按76歲計，人均用電量參考2018年數據；下圖為2018年世界各國發電量TOP10
不僅如此
放眼全球233個國家和地區
中國還是第一個
也是唯一的一個
擁有近14億的超龐大人口
卻依然能做到全民通電的國家
▼上海夜晚衛星圖，燈火通明的城市
中國，究竟是如何做到的？
I
70.4%
在這71118億千瓦時的電力中
70.4%來自于火力發電
可謂是全國電力的大半壁江山
▼2018年中國火力發電量占比
高聳的煙囪或宏偉的冷水塔
是火力發電廠最常見的特征
▼隨著處理工藝的進步，火電廠的煙囪逐漸被脫硫塔取代；下圖為霧氣中的冷水塔，電廠中被加熱的冷卻水在冷水塔中冷卻后循環使用（請橫屏觀看）
煤炭、石油、天然氣
甚至秸稈、垃圾等等
都是可用于火力發電的燃料
由于燃料易得、技術成熟
火電廠的分布極為廣泛
在大江南北遍地開花
▼內蒙古霍林郭勒錦聯電廠
▼臨水而建的廣州市華潤熱電廠
而在中國這個“煤炭大國”
火力發電則又命中注定
將成為燃煤電廠的天下
其裝機容量在所有火電廠中
占比幾乎接近90%
全國5800多處大小煤礦
年產約36.8億噸原煤中
超過一半的產量
都將運往這些電廠熊熊燃燒
▼以上數據來源中電聯《2018-2019年度全國電力供需形勢分析預測報告》；下圖為安徽宿州匯源發電廠，右下角為電廠儲備的煤炭
這就意味著
火力發電的版圖
必然與煤炭生產的格局息息相關
在煤炭資源相對豐富的北方地區
火電裝機容量占比超過70%
是最主要的電力來源
▼以上“北方地區”包括東北、西北(除青海省外)和華北地區，以及山東和河南兩省；下圖為2018年全國各地區發電類型及裝機容量占比
然而“出人意料”的是
山東、江蘇、內蒙、廣東、河南
山西、浙江、安徽、新疆、河北
以上火電裝機容量排名的前十位中
多個南方沿海省份同樣赫然在列
甚至遠超諸多煤炭大省
這些“特殊”的地區
往往人口密集、經濟發達
對電力的需求格外旺盛和強烈
▼2018年全國各省、直轄市和自治區用電量對比
在迫切的用電需求下
眾多火電廠拔地而起
例如僅在廣東一省
2017年的火力發電量
已達到3165億千瓦時
比產煤大省山西還要高出26%
而要產生如此量級的電力
用于發電的煤炭將以億噸計算
然而
像廣東這樣的電力負荷中心
大多并非煤炭產區
距離最近的煤炭基地
也可能相隔千里之遙
如此大量的煤炭該從何而來？
▼我國使用的煤炭包括自產和進口兩部分，但煤炭進口量目前僅為全國煤炭消費量的約1/10，因此下文主要討論自產煤炭的供應。下圖為廣東省廣州市華潤熱電廠
要回答這個問題
不如先將目光轉移到
山西大同與河北秦皇島之間
這里連接著一條聲名赫赫的鐵路
它以不到全國鐵路0.5%的營業里程
完成了全鐵路近20%的煤炭運量
相當于每秒就有14噸煤炭
搭載著鋼鐵輪軌呼嘯東去
奔向千里之外的渤海之濱
這就是大秦鐵路
這是中國第一條重載鐵路
單列列車全長近4000米
相當于10-20列高鐵列車相連
煤炭運至秦皇島港后
便可通過成本更低的海運
運至東部和東南沿海地區
▼河運運輸費用大約為鐵路運輸的30-60%，海運則更便宜；下圖為大秦鐵路，注意列車的長度（請橫屏觀看）
2008年春節期間
南方地區雨雪冰凍肆虐
大量輸電、運輸線路受損
近17個省被迫拉閘限電
而就是在這個時期
大秦鐵路單日運量首次突破100萬噸
并持續了整整20天
大量煤炭燃料源源不斷地送往南方
可謂是真正的“雪中送炭”
▼秦皇島港口堆放的煤炭
而大秦鐵路也僅僅是
中國煤運鐵路網絡的冰山一角
預計到2019年10月
又一條重載線路蒙華鐵路即將建成
內蒙古、山西、陜西等地的煤炭
將由此直抵華中地區
這條鐵路全程跨越7個省份
一次建成里程超過1800余千米
堪稱世界之最
▼隴海鐵路鄭州段旁的火電廠
屆時
以多條重點線路為核心
山西、陜西、內蒙古、新疆
以及沿海、沿江等六大區域
將通過縱橫交錯的鐵路連成一片
而這個龐大的運輸網絡
如同一條條鋼鐵動脈
將全國75%的煤炭送往四面八方
▼其他煤炭運輸方式包括公路運輸、航運等，目前中國煤運通道網絡共“九縱六橫”，下圖為其中部分重點線路
然而
隨著用電需求高速增長
浩浩蕩蕩的“西煤東運”“北煤南運”
仍然不是一勞永逸的辦法
在主要的電力負荷中心周邊
往往以中小型火電廠居多
這些電廠建設成本低、建站速度快
但在生產等量電力時
耗煤量卻比大型電廠高出30-50%
▼位于城市中的西安灞橋熱電廠，目前總裝機容量24.9萬千瓦
不但如此
在技術和經濟尚不發達的年代
這些中小型火電廠產生的煙塵
二氧化硫、氮氧化物等空氣污染物
也難以得到統一和高效的處理
于是自20世紀60年代起
在煤炭礦口、中轉港口附近
眾多大型火電廠開始崛起
▼山西古交發電廠，鄰近煤炭礦口，也稱坑口電站
▼浙江臺州第二發電廠，鄰近港口，也稱港口電站
例如位于內蒙古呼和浩特的托克托電廠
距離準格爾大型煤田僅50km
裝機容量達到672萬千瓦
位列世界燃煤電廠第一位
大型坑口、港口電廠的建設
能大大減輕煤炭運輸的壓力
提升燃煤效率、統一控制排放
但是電廠與負荷中心之間
有時相隔達到數千千米
這又該如何解決？
答案其實很簡單
就是輸電
但要實現起來卻并非易事
畢竟在如此遙遠的輸電距離下
線路的阻抗已然無法忽略
人們只能盡量降低傳輸電流
才能最大程度地減少線路損耗
這就意味著
傳輸功率一定的情況下
在保證經濟性的同時
必須盡可能提升輸電電壓
▼傳輸中的損耗Q可以通過公式Q=I2Rt計算，當電阻R無法忽略時，電流I越小，則損耗越小；而輸電功率計算公式為P=I×U，因此當功率P額定時，為了降低電流I，則必須提升電壓U；下圖為康定折多山云海中的線塔
1954年時
我國自行設計施工了第一條
220千伏的高壓輸電線路
傳輸距離369千米
但已落后世界大概30年
65年過去
從高壓到超高壓
從超高壓到特高壓
遠距離輸電技術突飛猛進
目前最高電壓等級已達到
交流1000千伏和直流±1100千伏
單條線路的輸電距離更是突破3000千米
相當于烏魯木齊到南京的直線距離
在全世界首屈一指
▼對于交流輸電，35-220千伏稱高壓，330-1000千伏為超高壓，1000千伏及以上為特高壓；對于直流輸電，±400-±660千伏為超高壓，±800千伏及以上則為特高壓。下圖為酒泉至湖南±1100千伏特高壓直流輸電線路
鐵路和輸電兩張網絡縱橫交錯
讓無論是位于負荷中心
還是地處礦口、港口的火電廠都能共同發力
成為我國電力工業的中流砥柱
然而
盡管火力發電廠的
除塵、脫硫、脫硝技術日益成熟
但化石燃料的消耗、溫室氣體的排放
讓人們不得不繼續尋找更為清潔的電力
水電便是其中之一
II
88%
在中國
無論是水力資源的蘊藏總量
還是可開發的裝機容量
均穩居世界第一位
如此豐富的水能資源
如此巨大的開發潛力
注定著水力發電在我國
將擁有至關重要的地位
其發電量占比達到17.6%
與火力發電一起
供給了全國88%的電力
▼2018年中國水力發電量占比
水力發電利用流水勢能
持續推動水輪機旋轉
繼而帶動發電機產生電力
全程既不需燃料、也無廢氣排放
相比火力發電更加清潔
▼白鶴灘水電站正在修建的水輪機室(也稱“蝸殼”)，用于將水流沿圓周方向導向輪機
2018年
全國水力發電量達12329億千瓦時
相當于節約煤炭近4億噸
此外，水電站經過合理的選址和設計后
還可兼具防洪、航運、供水
▼長江三峽水利樞紐工程中的五級船閘，上下水位落差可達113米，相當于35層樓的高度
以及調水、排沙等功能
▼黃河小浪底水電站
又或者在上游庫區
形成別具一格的風貌景觀
▼新安江水庫，千島湖（請橫屏觀看）
然而
我國的水力資源分布同樣極不均衡
其中西南地區高山峽谷眾多
大江大河穿流其間、奔騰而下
幾乎集中了全國超過60%的
可開發水力資源
金沙江、怒江、瀾滄江
大渡河、烏江、雅礱江
再加上南盤江和紅水河
以及長江上游等
全國十三大水電基地中
西南地區獨占8席
▼長江上游水電基地指長江宜賓到宜昌段；中國大型水電站分布(裝機容量大于120萬千瓦)
和火力發電不同
水電的“原料”無法進行運輸
因此若要將電力送往負荷中心
除了依靠輸電工程外別無他法
這就意味著
水力發電的崛起和繁榮
必將與遠距離輸電技術相伴相生
我國第一條萬伏級交流輸電線路
第一條110和220千伏高壓交流線路
第一條330千伏超高壓交流線路
以及第一條高壓直流輸電線路
就此應運而生
▼甘肅省劉家峽水電站
1988年底
著名的葛洲壩水電站落成
它是長江上第一座水電站
人稱“萬里長江第一壩”
而與之配套建成的
便是我國首個超高壓直流輸電工程
其電壓等級達到±500千伏
以1046千米的輸電距離
將華中和華東電網連為一體
讓葛洲壩水電站的電力
得以源源不斷地送往上海
▼葛洲壩水電站和湖北宜昌市市區（請橫屏觀看）
世界上規模最大的三峽水電站
裝機容量達2250萬千瓦
相當于8個葛洲壩水電站
以及3個內蒙古托克托火電廠
（世界第一大燃煤電廠）
2018年三峽水電站的全年發電量
更是首次突破1000億千瓦時
相當于湖北省全省發電量的40%
創全球水力發電量新高
千里之外的江蘇、廣東和上海三地
則通過三條±500千伏的直流輸電工程
與這個“超級發電機”緊密相連
▼三峽水電站泄洪
而隨著云南小灣水電站開始發電
全球首個±800千伏特高壓直流輸電工程
正式登上歷史舞臺
其輸電距離達1438千米
可將電力從云南一路送至廣東
曾經落后世界數十年的中國
自此便和全世界一起
邁入了特高壓直流輸電時代
▼云南小灣水電站優美的拱壩
從此之后
水電的輻射空間大幅增長
眾多大型水電站在西南地區拔地而起
將滾滾電力送向遙遠的東部和東南部
▼正在建設的白鶴灘水電站，預計2022年完工，建成后將是世界第三大水電站，裝機容量僅次于三峽
位于金沙江下游的向家壩水電站
通過長達1907千米的
±800千伏直流特高壓輸電線路
全程跨越8個省份、直轄市
每年向上海輸電近300億千瓦時
相當于上海2018年用電量的20%
▼以上數據為粗略計算，未考慮傳輸中的損耗等因素；下圖為向家壩水電站（請橫屏觀看）
同樣位于金沙江的溪洛渡水電站
則看起來更加宏偉
其拱壩壩高285.5米
相當于90多層的摩天大樓
裝機容量達1386萬千瓦
目前為世界第三大水電站
而溪洛渡-浙西±800千伏的輸電線路
更以800萬千瓦的輸電容量
躋身全球容量最大的直流輸電工程名錄
▼金沙江溪洛渡水電站
位于四川雅礱江的錦屏一級水電站
則建有世界最高的拱壩
高度達305米
它向蘇南地區輸電的±800千伏直流輸電工程
傳輸距離首次突破2000千米大關
至此
長江中上游、黃河上游的水電
以及眾多煤炭基地周邊的火電
均能夠通過綿延千里的輸電工程
向東部地區匯聚
“西電東送”
這一世紀工程的格局就此形成
▼“西電東送”格局
當然
水力資源的開發并不是無限的
上游的淹沒、大量的移民
以及對河流生態的影響
一直都是水力發電無法回避的話題
因而水電站的建設往往需要
經過極為嚴格的評估和論證
人們也需要尋找更多的清潔能源
其中最主要的便是風能和光能
III
95.7%
火力和水力兩種發電方式
已為全國人民貢獻了88%的電量
若加上風能和太陽能的出力
便能滿足中國人95.7%的用電需求
▼2018年中國風能和太陽能發電量占比
但風和光的利用卻并不容易
在風力發電中
氣流推動風機葉片持續旋轉
便能帶動發電機產生電力
▼河北省張家口風電場的風機
風機葉片的尺寸和重量十分巨大
單葉長度可達數十米以上
對運輸和安裝都是巨大的挑戰
▼運輸中的風機葉片
而在太陽能光伏發電中
單個太陽能電池的工作電壓
一般僅有0.4-0.5伏
工作電流也十分微弱
只有將其不斷串聯并聯
令多個電池拼裝成組件
多個組件排列成為陣列
才能達到足夠的發電功率
▼福建松溪光伏發電（請橫屏觀看）
太陽能光熱發電也同樣如此
只有利用足夠多的鏡面
才能匯聚足夠多的熱量
從而產生足夠多的蒸汽
推動汽輪機持續旋轉
▼光伏發電和光熱發電是太陽能發電的兩種主要形式；下圖為位于敦煌的光熱發電站，中間的高塔頂部用于吸收太陽能，也稱塔式光熱電站
總而言之
無論是風能還是太陽能
若要進行大規模發電
往往需要較大的占地面積
從而帶來較高的建造成本
尤其在人口密集、土地緊張的東部地區
提高土地利用率更為重要
▼“漁光互補”，在魚塘上架設光伏發電板，上面發電、下面養魚，拍攝于浙江省寧海縣（請橫屏觀看）
而另一方面
正如水電在豐、枯水期的波動
風能和太陽能同樣無法避免
時間、氣候等帶來的影響
甚至短短一天內的晝夜交替、風云變幻
都會改變發電的連續性和穩定性
因此為了減小對電網的影響
人們開始將風、光、水、火
各種發電方式組合起來、相互調節
從而得到較為穩定的電力輸出
▼風光互補系統，位于內蒙古卓資縣
又或者在負荷較小時
將多余的電力轉化、儲存起來
等到用電緊張時再行釋放
以便維持穩定的供電
▼目前的蓄能方式包括蓄電池、飛輪蓄能、抽水蓄能、電解水蓄能和壓縮空氣蓄能等；對于抽水蓄能電站，電力富余時可從下水庫抽水至更高的上水庫，用電時水再從上水庫流至下水庫，利用水力發電的原理發電；下圖為天荒坪抽水蓄能電站，左上為上水庫，右下為下水庫
第三方面
和水能資源類似
我國的風能和太陽能資源
分布同樣極不均衡
其中風能資源最為豐富的是
東部和東南沿海地區
全國風速超過7米/秒的地區
絕大多數都集中于此
▼江蘇大豐海上風機
但由于地形限制
這片區域僅在海岸線和沿岸的山脈間
形成極為狹窄的條帶
相較之下
在我國三北地區
風能資源不僅豐富
還能大面積連片分布
▼三北地區即西北、華北、東北地區，下圖為中國風能資源分布
內蒙古地區也因此成為
我國最重要的風電基地之一
其2017年風力發電量達到551億千瓦時
相當于全國風力發電量的近20%
▼內蒙古輝騰錫勒風力發電場，注意風機和高壓電塔的高度
而我國的太陽能資源
則在西部內陸地區最為豐富
包括青藏高原西部、新疆南部
以及寧夏、甘肅北部等
這些地區的全年日照時間
可達3200-3300小時
相較之下太陽輻射最為薄弱的
四川和貴州等省份
年均日照時間僅有約1100小時
▼中國太陽能資源分布
由此可見
我國西部和西北地區
不但風、光資源豐富
同時人口稀疏、土地廣袤
隨著技術進步和成本的降低
風電和太陽能發電的規模也越發龐大
▼位于甘肅金昌的大規模風電場（請橫屏觀看）
然而這些區域人口較少
用電需求也相對平緩
例如2015年
甘肅省發電裝機容量達到4531萬千瓦
但最大用電負荷僅1300萬千瓦
新疆也同樣如此
其裝機容量超過5000萬千瓦
而用電負荷需求僅為2100萬千瓦
這就意味著
若僅僅依靠本地用電
將面臨大量的能源浪費
更何況火電的調峰和供熱作用
無論如何也難以被完全替代
這對于風能和太陽能電力的消納
可謂是”雪上加霜“
▼新疆哈密天山腳下的風力發電場
于是近年來
”棄風“”棄光“等問題層出不窮
甚至到2017年
整體情況已明顯向好時
全國的棄風、棄光率仍為12%和6%
而在甘肅、新疆等地
棄風率甚至高達33%和29%
一面是西北地區
大量的新能源無處安放
一面是東部沿海
大量用電需求嗷嗷待哺
在這種形勢下
遠距離、跨區域的輸電工程
必須再次扛起重任
▼位于新疆的特高壓輸電線路
2014年和2017年
兩條從西北地區向外輻射的
±800千伏直流輸電工程相繼完工
第一條從新疆哈密出發
途經六個省份到達河南鄭州
全程2210千米
每年可將新疆地區的火電、風電
共計約370億千瓦時的電量
源源不斷送往中原大地
▼哈密南-鄭州±800千伏特高壓直流輸電工程，是我國首個“疆電外送”特高壓工程
第二條則從甘肅酒泉出發
途經5個省份直奔湖南湘潭
全程2383千米
在其每年送出的約400億千瓦時的電力中
超過40%均來自西北地區的風電和光電
▼酒泉-湖南±800千伏特高壓直流輸電工程
而在2018年
又一條大名鼎鼎的特高壓工程正式貫通
其電壓等級高達±1100千伏
年均輸電量達660億千瓦時
相當于憑此一條輸電線路
便可外送整個青海省全年的發電量
這便是準東-皖南特高壓輸電工程
（也稱昌吉-古泉特高壓工程）
▼準東-皖南±1100千伏特高壓輸電工程
線路從新疆昌吉自治州出發
途經新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、安徽6省
以6079座鐵塔
支撐起3324千米的輸電線路
沿途接連跨越秦嶺和長江天塹
最終抵達安徽宣城市
無論是電壓等級、傳輸容量
還是傳輸距離、技術難度
均為世界范圍內的“開山之作”
是名副其實的“超級工程”
借由這條超級電力走廊
新疆地區520萬千瓦的風電
以及250萬千瓦的光伏發電
能夠被打捆送往長三角地區
▼建設中的準東-皖南±1100千伏特高壓輸電工程
截至目前
我國仍是全球唯一能夠建設
±1100千伏特高壓直流輸電的國家
也是特高壓輸電領域的
國際標準制定者之一
這對于中國來說
雖是時代發展的必然之路
也是當前能源格局下的“無奈之舉”
讓更多人用上更便宜、更清潔的電力
是無數電力工作者孜孜以求的目標
▼“空中飛人”，拍攝于北京大興國際機場500千伏輸電工程施工現場
IV
100%
風、光、水、火四種方式
已生產了全國95.7%的電量
沖擊100%的最后一棒
則屬于核電
▼2018年中國核能發電量占比
和火力發電類似
核電燃料可以運輸
能量產出也較為穩定
基本不受氣候、時間的影響
但和火力發電不同的是
裝機容量100萬千瓦的核電廠
每年僅需核燃料25-30噸
為相同容量火電廠耗煤量的十萬分之一
▼現商用的核電站均為裂變反應，燃料為鈾核燃料，下圖為浙江臺州市三門核電廠
這就意味著
核電的燃料運輸成本將大大降低
因此我國目前建設的核電站
均遠離原料產地
位于用電負荷中心附近
即東部和東南沿海地區
▼中國核電站分布
中國的核電起步較晚
直到1991年
浙江秦山核電站開始發電
才有了第一座自行設計建造的核電站
而當時世界上其他國家
已有420余臺核電機組投入運行
提供著全球16%的電力
隨后的近30年間
在引進國外先進技術的基礎上
中國核電技術逐漸開始自主化
2018年并網發電的廣東臺山核電站
是全國首次引進第三代核能系統
也是全球首個具備商用條件的第三代核電站
▼臺山核電站
截至2018年底
我國核電裝機容量達到4466萬千瓦
而預計到2020年
全國核電裝機容量將達到5800萬千瓦
每年將替代1.74億噸煤炭燃燒
減排約4.3億噸二氧化碳
然而
核電技術較為復雜
安全標準也極為嚴格
因此核電廠的建造成本十分高昂
單位造價可高達火電的2-3倍
加之歷史上核電站意外事故的影響
令核電一度在爭議中艱難發展
但隨著工藝的進步和社會認知的深入
甚至核聚變技術的突破
核電必將在未來成為更加關鍵的角色
回首建國前夕
全國發電裝機容量僅184.86萬千瓦
歷經38年的篳路藍縷
才終于突破1億千瓦大關
而從1億到2億千瓦
再從2億到3億千瓦
分別只用了8年和5年
到2009年
中國發電裝機容量超越美國
躋身世界第一位
之后更以每年約1億千瓦的速度突飛猛進
堪稱世界電力史上的奇跡
▼建設中的烏東德水電站
不僅如此
截至2018年底
全國共有220千伏以上輸電線路
共計733393千米
足足能繞赤道18圈
▼新疆伊犁至庫車750千伏交流輸電工程（請橫屏觀看）
其中21條特高壓輸電線路
在東西南北間交織穿梭
堪稱中國大地上又一工程奇跡
▼中國特高壓輸電網絡
除華北和華東地區之外
全國各區域間均已實現跨區供電
輸電線路翻越高山峽谷
▼跨越天山的高壓輸電塔
跨過江河湖海
▼深圳西灣紅樹林海上輸電塔
即便是高寒的世界屋脊
也能與全國各地連為一體
預計到2020年
全國將有近31%的電力負荷
通過這張大網奔向南北東西
▼位于拉薩附近的輸電工程
盡管到2015年底
我國才終于實現全民通電
人均用電量與世界各國相比
也僅居第63位
未來的路依然十分漫長
▼川藏聯網工程施工現場
但是
每當夏天人們打開空調電扇
每當城市在黑夜中燈火通明
我便不由得想起
千里之外發電機隆隆的轟鳴
因為那就是這個跑步進入現代化的國家中
最波瀾壯闊的聲音
▼2018年4月28日，國家電網日照供電公司工人架設叩官鎮至兩城高鐵預留站高壓線路，確保兩城高鐵站投入使用后的電力供應
