2030年美國分布式風電發展展望

分布式風電

一、定義

嚴格地講，分布式風電指的是所有滿足本地用電負荷的風電設施。美國能源部（DOE）能效和可再生能源（EERE）風能與水電技術辦公室則根據風電項目位置與終端負荷和配電網結構的關系來定義分布式風電，而不是根據技術或項目規模來定義。

分布式風電與家庭、學校、農牧場、企業、公共設施、工廠設備、離網場所等負荷側直接或虛擬相連處，所發電量全部或大部分實現就地消納，或并入電網。

分布式風電系統通常歸個人、家庭、學區、醫院、農牧場、企業、市政當局、部落等當地實體所有。

二、分布式風電最重要的五種屬性

分布式風電所具有的獨特屬性包括：

（1）設備在本土制造：與其他清潔技術所用設備不同，美國應用的大部分中小型分布式風電機組均是美國制造。美國設備制造商生產的此類設備，價格低，質量可靠。這些產品也銷售至國外市場，年出口量占全部銷量的30%～50%。

（2）成本下降和市場發展前景廣闊：與大型風電和太陽能光伏等其他發展成熟的可再生能源技術類型相比，分布式風電所獲得的政府扶持與私有投資較少，因此，中小型風電機組在技術發展和制造規模方面相對落后，通過技術創新和規模化生產可以顯著降低其成本。

（3）環境影響小：分布式風電機組主要安裝在已經受到人們生產和生活影響過的土地上，對環境造成的干擾相對較小。

（4）可以進一步增強現有電網：分布式風電系統在配電網上的終端負荷附近提供電力，無需新建輸電線路，可通過提供電壓支持、為弱電源提供無功功率（VAR），從而提高供電質量。

（5）成本較高，但售電價格更高：與傳統集中式風電相比，分布式風電系統的平準化度電成本（LCOE）更高，但售電價格也更高，因為它們實際上是銷售給零售商而不是批發市場。

現有和未來科技

一、分布式風電系統如何配合電網

分布式風電系統通常有一臺或多臺機組，這些機組與家庭及企業的用電設施連接。當機組不發電時，家庭及企業從公共事業級電網中獲取所需的全部電力；當機組發電時，家庭及企業從供電電網中獲得的電量減少。這樣，分布式風電主要通過降低每月的電費來創造經濟效益。

如果機組產生的電量大于用電設施所需，多余電量會傳輸至電網，供臨近的家庭和企業使用。聯邦法令規定人們有權安裝、運行分布式風電機組，也有權用富余電量獲取售電費用。

二、技術困難

分布式風電機組通常每年要運行6000～8000小時，相當于讓一輛車一年行駛15萬英里（約241401.6千米）。機組還應至少可以最低維護成本持續運行20年。盡管雷暴、颶風、冰雹、雪、雨水、閃電、地震、沙塵暴、鹽霧等都會對機組造成影響，但它仍需要自動、安全地運行。因此，要想設計完善的小型風電機組，這無疑是一項困難重重的工程。令人欣慰的是，一些分布式風電機組已運行了35年以上（仍在運行），且前20多年的可利用率幾乎到達100%，維護成本則近乎為零。

三、先進技術

過去對中小型分布式風電技術研發和部署的公共投入較少，分布式風電的機組和制造技術不如大型風電、太陽能光伏等其他發展成熟的清潔能源技術先進。好消息是，如出現重大技術進步及制造能力提升，將可以顯著降低成本。

如若能推動以下幾方面的技術發展，分布式風電系統的應用前景廣闊。

（1）設計更多高效的葉輪與葉片結構：葉輪包括兩到三支葉片，是風電系統最重要的組成部分，也是需要創新的部分。大型風電系統從新的翼型中受益良多，通過新型葉片結構，可以將更大型的葉輪安裝在更小的傳動系統、塔筒、地基上。因此，雖然安裝成本會小幅上升，但增加的發電量會顯著提高收益，從而有效降低LCOE。

（2）設計更多高效的發電機，提高產量：發電機將葉輪捕捉到的風能轉化為電能。在大型風電機組中，部分機型采用齒輪箱和高速發電機，部分機型則采用低速發電機，并去掉齒輪箱。但是，大部分戶用型的風電機組安裝了專用直驅式發電機，這為提高效率、設計出更大單機容量的機型創造了條件。

（3）優化和簡化電力電子/控制：為了連入電網，很多小型風電系統使用主要適用于小型太陽能光伏組件的變流器，因此，性能受到影響。電力電子技術不斷發展，諸多機會涌現出來，可應用最先進的技術，從而提高中小型風電機組的性能，并降低其成本。

（4）改進塔筒設計：即使是最小的分布式風電機組都需要放置在至少80英尺（約24.38米）的塔架上，以此降低地面對風速的影響，并減少湍流的干擾。對于中小型風電系統而言，需要改進塔架設計，使其占地面積小、外觀更美觀、生產及安裝成本低。

（5）優化安裝環節：安裝成本可達到中小型風電系統總安裝成本的30%。安裝費用包括挖掘、成型、加固、澆鑄、完成混凝土地基、搭設從機位點到建筑的地下電線、裝配并架設塔筒及機組、裝置電子元件及開關、連接與測量、調試等方面的費用。安裝過程容易受天氣及土壤條件的影響。存在諸多機會，從而進一步改進分布式風電的安裝過程。

（6）降低運維成本：風電機組需要定期檢修與進行預防性維護，從而實現高可靠性和保持最佳發電性能。可以通過價值工程、智能結構、先進監控等方法，實現維護費用的大幅下降。

表1 分布式風電系統在2014年的平均安裝成本及2030年的成本目標

現有和未來的分布式風電成本

一、分布式風電系統的安裝成本

不同分布式風電系統在2014年的平均安裝成本及2030年的成本目標如表1所示。

二、容量因數

分布式風電的經濟效益在很大程度上受到每臺機組的容量因數，或者裝機容量中單位千瓦年度產出的影響。風電最好的一面，也是最壞的一面表現為，發電量與當地的風能資源條件以及塔筒高度休戚相關。相同類型的分布式風電機組安裝于不同地區，其年平均容量因數會在2%～40%的范圍內變動。

表2展示了各類分布式風電系統在2014年的平均容量因數及2030年的目標值。

三、平準化度電成本

平準化度電成本（LCOE）是用于判斷能源生產技術成本競爭力的常用參考指標，也是美國能源部進行經濟決策的主要參考指標。分布式風電的LCOE包含系統在運行壽命期間內的發電資產所有權的總成本，包括機會成本（用于其他投資可能產生的收益）。

表3展示了各類分布式風電系統在2014年的LCOE平均值及2030年的目標值。

表2 分布式風電系統在2014年的平均容量因數及2030年的目標值

表3 分布式風電系統在2014年的LCOE平均值及2030年的目標值

2030年分布式風電發展潛力

一、分布式風電的市場潛力

DWEA依據各類常見建筑類型數量的現有最準確數據，預測了這一指標在2030年的變化情況，并在剔除限制因素以及評估最適合各類建筑的機組的平均容量的基礎上，測算了2030年分布式風電開發潛力，具體結果如表4所示。

擁有足夠可開發空間和風能資源的住宅、農場、商業建筑、學校、其他設施的數量可達幾百萬個，因此，分布式風電的應用潛力巨大，有望達到百萬千瓦級別。

市場研究公司Navigant Research的報告顯示，到2030年，全球中小型分布式風電的市場潛力最高可至320萬千瓦。

二、能源生產潛力

分布式風電機組目前以15%～20%的容量因數運行，這雖然比美國大部分太陽能發電設備的容量因數都高，卻低于風電的平均容量因數——36%。DWEA預測，在接下來的15年間，分布式風電機組的平均容量因數將增加至30%，這相當于到2030年，理論上年發電潛力將達到2.9萬億千瓦時（2900TWh）。

政策驅動

政策，特別是經濟類激勵政策決定了清潔能源市場的發展速度。雖然與其他清潔能源技術相比，分布式風電的激勵政策較為薄弱，但目前正在迎頭趕上，市場也在逐步擴大。當然，鼓勵或加速分布式風電應用的非經濟類政策也很重要。

表4 2030年分布式風電開發潛力預測

圖1 分散式風電裝機規模增長走勢

一、聯邦稅收優惠

對美國市場來說，最重要的政策驅動因素是30%的投資稅收抵免（ITC）：對容量小于100kW的分布式風電而言，ITC政策于2009年頒布，2016年到期。容量大于100kW的分布式風電的ITC政策與延長生產稅優惠（PTC，第45款）聯系緊密，于2014年底到期。由于缺乏適用的ITC，目前中型風電機組市場停滯不前，這是參與容量超過100kW分布式風電的制造商和項目開發商面臨的難題。

DWEA建議，考慮對美國分布式風電市場的發展起著至關重要的作用，應將ITC延期至2016年以后，并取消聯邦投資稅收抵免中有關100kW的規模限制。由于市場對資本成本和投資回收期十分敏感，對分布式風電而言，ITC等前期稅收抵免是更有效的激勵結構。

二、州政府補貼及其他經濟性激勵措施

雖然紐約、俄勒岡、加利福尼亞、馬薩諸塞、馬里蘭、北卡羅來納等州政府已經提出補貼、稅收優惠等額外的經濟性激勵政策，但各州的經濟性激勵差異較大，持續時間短。在紐約州等政策支持力度大的地區，由于優惠多，分布式風電市場發展迅速。近年來，受到經濟衰退、各州州長及立法人員工作重心轉移等多重因素的影響，州政府對分布式風電項目進行激勵的頻次和范圍有所下降。

三、農業部REAP補助

自2002年起，美國農業部為農場、鄉鎮企業的可再生能源和能效項目提供競爭性獎勵補助，達到項目總成本的25%。過去幾年，這些資金主要用于能效項目和太陽能項目。2015年，政策加以改革，會擴大對農民和鄉鎮企業的覆蓋面。美國國會通過農業委員會和撥款委員會已再次授權并在2019年全年資助廣受歡迎的項目。DWEA強烈支持REAP計劃，支持在可行范圍內維持農場法案強制資助。

四、凈計量

任何位于負荷側的可再生能源系統，總會出現電力產出大于需求的情況。這些多余的電量將輸送到配電網中，出售給附近的家庭或其他用電設施。聯邦法律要求所有供電公司為這些電量支付費用，但費率一般低于零售價。凈計量是州政府或供電公司采取的一種策略，允許對富余電量加以“存儲”，到供電不充足時加以使用，通常即允許電表“倒著走”。對戶用型風電機組而言，凈計量由于降低了管理費用，相應減輕供電公司的經濟負擔。

五、電網要求

供電公司對連接到配電網的設備提出要求，如果這些要求合理、標準，則可以減少聯網許可。但是在有些情況下，這些要求超出合理的范疇，會加大用戶的成本。這種做法會降低風電和太陽能發電項目的經濟性以及競爭力，有時會成為刻意阻止此類項目開發的一種手段。

“到2030年實現3000萬千瓦”倡議

DWEA此前發起了“到2030年實現3000萬千瓦”的倡議，希望到2030年，使美國的分布式風電規模達到3000萬千瓦，即從2015年的100萬千瓦開始，平均每年增長30%。

據此測算，到2030年，美國分布式風電行業的年收入有望達到127億美元，從業人口超過15萬，近50萬臺風電機組將產生660億千瓦時綠色電力，可以滿足580萬家庭的用電需求。這些風電機組所帶來的環境效益相當于少排放4480萬噸二氧化碳，相當于1150萬輛汽車的排放量。

構成推動“到2030年實現3000萬千瓦”倡議落地的政策基礎包括：

（1）將針對分布式風電的現有ITC延期若干年，或取消聯邦投資稅收抵免的100kW限制，并提供長期延期；

（2）作為ITC擴展的一部分，為戶用型風電系統提供40%的ITC優惠，最大功率為20kW；

（3）增加美國能源部（DOE）對分布式風電研發的預算投入，至少達到風能研究總預算的15%；

（4）當前或更高的資金水平上維持2019年及以后的REAP計劃，同時更加支持分布式風力發電；

（5）鼓勵農村電力合作社向會員銷售并資助分布式風電系統；

（6）支持出口美國制造的分布式風電技術。

結論

DWEA相信，位于用戶側的中小型風電系統的發展潛力巨大，可達到百萬千瓦級別。但需要聯邦和州一級政府共同努力，以加速技術與制造環節的進步和分布式風電系統的發展。如此，預計到2030年年底，分布式風電將為美國創造超過15萬個就業機會，讓消費者有更豐富的清潔能源選項，極大地促進出口，并為環境保護做出巨大貢獻。

發展分布式風電釋放的利好會集中在農村地區，各州都會從中有所收益。DWEA認為，政策上應更關注分布式風電，使其占有一席之地。

[編譯自美國分布式風電協會（DWEA）發布的《美國分布式風電發展展望（2015-2030）》]