太阳能、风能和水力发电的工作原理——以及为什么电网正围绕它们进行重建

可再生电力来自自然补充的能源——阳光、风、流水、地热和有机物质——而不是被燃烧和耗尽的燃料。根据美国能源信息管理局（EIA）的说法，每种技术都通过独特的机制将不同的自然力转化为电能，它们共同正在重塑全球电网的规划和运营方式。

每种技术如何将自然转化为电力

太阳能光伏（PV）电池板使用太阳能电池将阳光直接转化为电能，EIA解释道，而另一种技术——太阳能热加热——使用收集器吸收阳光并为空间和热水加热水或空气，而不是生成电能。风力涡轮机通常聚集在风力发电场中，捕获移动空气的动能并将其转化为电能；在美国，大多数风力发电场在中部地区运营，海上项目正在规划中。

根据EIA的说法，水力发电厂使用来自大坝和河流的流动或落下的水来旋转连接到发电机的涡轮机。一种相关的形式是抽水蓄能水力发电，它在不同海拔的两个水库之间移动水，通过在电力充足时将水泵到上游来有效地存储能量，并在需要时从下游释放它来发电。地热发电厂利用地球内部的热量，而生物质设施燃烧木材残渣、城市固体废物或沼气来发电。

可再生能源增长速度快于任何其他电力来源

根据IEA的《2025年可再生能源报告》，全球可再生电力生成预计将从2024年的9,900太瓦时（TWh）增加到2030年的16,200太瓦时，增长60%。该机构预测，可再生能源将在2025年底或最迟2026年中期（取决于水力发电产量）超过燃煤发电，使可再生能源成为世界上最大的电力来源。到2030年，可再生能源预计将供应全球电力生成的约43%，比2024年的32%有所增加，并将满足该期间全球电力需求增长的90%以上。

IEA表示，太阳能光伏是这一扩张的主要驱动力，占到2030年可再生能源生成增长的一半以上。风能贡献了增长的约30%，陆上风能预计将增加732吉瓦（GW）的新产能，离岸风能140吉瓦——超过前五年的两倍多。水力发电预计将增加超过154吉瓦的新产能，而抽水蓄能水力发电产能预计到2030年将增加至16.5吉瓦年产能的两倍。

根据美国光伏杂志发布的IRENA数据总结，国际可再生能源机构（IRENA）报告称，2025年底全球可再生电力产能达到5.14太瓦（TW），年内增加了692吉瓦。太阳能占该增长的约511吉瓦——约占可再生能源总增长的75%——可再生能源占全球所有已装机电力产能的49%，占2025年全球增加的所有电力产能扩展的85.6%。

在美国，风能和太阳能创下新纪录

国家数据反映了全球趋势。EIA报告称，风能和公用事业规模太阳能在2025年共产生了美国电力的创纪录的17%；包括小规模屋顶太阳能，总共份额达到总净发电量的19%。风力发电产生了464,000吉瓦时（GWh），比2024年增加3%，而公用事业规模太阳能产量跃升34%至296,000吉瓦时，小规模太阳能上升11%至93,000吉瓦时。二十年前的2005年，风能和公用事业规模太阳能仅供应了美国电力的不到1%，EIA表示。

为什么可变电力正在迫使电网改变

与可以按需运行的燃煤发电厂不同，太阳能和风能的产量取决于天气和一天中的时间——IEA和业界所称的可变可再生能源。IEA的《2025年可再生能源报告》表示，随着太阳能光伏和风能的快速扩展，限电——即电网运营商缩减可再生能源产出，因为传输限制、稳定性要求或供应过剩阻止系统吸收所有电力——发生得更频繁，发生地点也更多。另外，IEA的《2025年电力中期更新》记录了负电价小时数的急剧增加，即供应超过需求时：德国、荷兰和西班牙在2025年上半年看到负价格在8-9%的小时内出现，高于2024年的4-5%。

IEA将其描述为"供应和需求需要更大灵活性的紧迫性"，指向电池存储、需求响应和更新的市场规则作为补救措施。解决可变发电和稳定需求之间的不匹配需要该机构所称的全面战略，涉及传输、灵活性和协调的系统规划——而不是任何单一的修复。

"电网转型"的真正含义

• 存储：电池和抽水蓄能水力发电吸收过剩的太阳能和风能产出，并在发电下降时释放它，IEA将其视为管理可变性的中心。
• 传输：新的电力线将电力从风力或阳光充足的地区输送到人口中心，是IEA所称的协调系统规划的一部分。
• 灵活需求：改变电力使用以匹配高可再生能源产出的时期，是IEA与存储一起推荐的工具之一。
• 根据IEA，抽水蓄能水力发电产能增长预计到2030年将增加至16.5吉瓦/年，部分原因是为了应对欧洲的整合挑战。