2030年美國分布式風(fēng)電發(fā)展展望

分布式風(fēng)電

一、定義

嚴(yán)格地講，分布式風(fēng)電指的是所有滿足本地用電負(fù)荷的風(fēng)電設(shè)施。美國能源部（DOE）能效和可再生能源（EERE）風(fēng)能與水電技術(shù)辦公室則根據(jù)風(fēng)電項目位置與終端負(fù)荷和配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)系來定義分布式風(fēng)電，而不是根據(jù)技術(shù)或項目規(guī)模來定義。

分布式風(fēng)電與家庭、學(xué)校、農(nóng)牧場、企業(yè)、公共設(shè)施、工廠設(shè)備、離網(wǎng)場所等負(fù)荷側(cè)直接或虛擬相連處，所發(fā)電量全部或大部分實現(xiàn)就地消納，或并入電網(wǎng)。

分布式風(fēng)電系統(tǒng)通常歸個人、家庭、學(xué)區(qū)、醫(yī)院、農(nóng)牧場、企業(yè)、市政當(dāng)局、部落等當(dāng)?shù)貙嶓w所有。

二、分布式風(fēng)電最重要的五種屬性

分布式風(fēng)電所具有的獨特屬性包括：

（1）設(shè)備在本土制造：與其他清潔技術(shù)所用設(shè)備不同，美國應(yīng)用的大部分中小型分布式風(fēng)電機(jī)組均是美國制造。美國設(shè)備制造商生產(chǎn)的此類設(shè)備，價格低，質(zhì)量可靠。這些產(chǎn)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(fā)展前景廣闊：與大型風(fēng)電和太陽能光伏等其他發(fā)展成熟的可再生能源技術(shù)類型相比，分布式風(fēng)電所獲得的政府扶持與私有投資較少，因此，中小型風(fēng)電機(jī)組在技術(shù)發(fā)展和制造規(guī)模方面相對落后，通過技術(shù)創(chuàng)新和規(guī)?；a(chǎn)可以顯著降低其成本。

（3）環(huán)境影響?。悍植际斤L(fēng)電機(jī)組主要安裝在已經(jīng)受到人們生產(chǎn)和生活影響過的土地上，對環(huán)境造成的干擾相對較小。

（4）可以進(jìn)一步增強(qiáng)現(xiàn)有電網(wǎng)：分布式風(fēng)電系統(tǒng)在配電網(wǎng)上的終端負(fù)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(zhì)量。

（5）成本較高，但售電價格更高：與傳統(tǒng)集中式風(fēng)電相比，分布式風(fēng)電系統(tǒng)的平準(zhǔn)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(fā)市場。

現(xiàn)有和未來科技

一、分布式風(fēng)電系統(tǒng)如何配合電網(wǎng)

分布式風(fēng)電系統(tǒng)通常有一臺或多臺機(jī)組，這些機(jī)組與家庭及企業(yè)的用電設(shè)施連接。當(dāng)機(jī)組不發(fā)電時，家庭及企業(yè)從公共事業(yè)級電網(wǎng)中獲取所需的全部電力；當(dāng)機(jī)組發(fā)電時，家庭及企業(yè)從供電電網(wǎng)中獲得的電量減少。這樣，分布式風(fēng)電主要通過降低每月的電費(fèi)來創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

如果機(jī)組產(chǎn)生的電量大于用電設(shè)施所需，多余電量會傳輸至電網(wǎng)，供臨近的家庭和企業(yè)使用。聯(lián)邦法令規(guī)定人們有權(quán)安裝、運(yùn)行分布式風(fēng)電機(jī)組，也有權(quán)用富余電量獲取售電費(fèi)用。

二、技術(shù)困難

分布式風(fēng)電機(jī)組通常每年要運(yùn)行6000～8000小時，相當(dāng)于讓一輛車一年行駛15萬英里（約241401.6千米）。機(jī)組還應(yīng)至少可以最低維護(hù)成本持續(xù)運(yùn)行20年。盡管雷暴、颶風(fēng)、冰雹、雪、雨水、閃電、地震、沙塵暴、鹽霧等都會對機(jī)組造成影響，但它仍需要自動、安全地運(yùn)行。因此，要想設(shè)計完善的小型風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組已運(yùn)行了35年以上（仍在運(yùn)行），且前20多年的可利用率幾乎到達(dá)100%，維護(hù)成本則近乎為零。

三、先進(jìn)技術(shù)

過去對中小型分布式風(fēng)電技術(shù)研發(fā)和部署的公共投入較少，分布式風(fēng)電的機(jī)組和制造技術(shù)不如大型風(fēng)電、太陽能光伏等其他發(fā)展成熟的清潔能源技術(shù)先進(jìn)。好消息是，如出現(xiàn)重大技術(shù)進(jìn)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(shù)發(fā)展，分布式風(fēng)電系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊。

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

（2）設(shè)計更多高效的發(fā)電機(jī)，提高產(chǎn)量：發(fā)電機(jī)將葉輪捕捉到的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。在大型風(fēng)電機(jī)組中，部分機(jī)型采用齒輪箱和高速發(fā)電機(jī)，部分機(jī)型則采用低速發(fā)電機(jī)，并去掉齒輪箱。但是，大部分戶用型的風(fēng)電機(jī)組安裝了專用直驅(qū)式發(fā)電機(jī)，這為提高效率、設(shè)計出更大單機(jī)容量的機(jī)型創(chuàng)造了條件。

（3）優(yōu)化和簡化電力電子/控制：為了連入電網(wǎng)，很多小型風(fēng)電系統(tǒng)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(shù)不斷發(fā)展，諸多機(jī)會涌現(xiàn)出來，可應(yīng)用最先進(jìn)的技術(shù)，從而提高中小型風(fēng)電機(jī)組的性能，并降低其成本。

（4）改進(jìn)塔筒設(shè)計：即使是最小的分布式風(fēng)電機(jī)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(fēng)速的影響，并減少湍流的干擾。對于中小型風(fēng)電系統(tǒng)而言，需要改進(jìn)塔架設(shè)計，使其占地面積小、外觀更美觀、生產(chǎn)及安裝成本低。

（5）優(yōu)化安裝環(huán)節(jié)：安裝成本可達(dá)到中小型風(fēng)電系統(tǒng)總安裝成本的30%。安裝費(fèi)用包括挖掘、成型、加固、澆鑄、完成混凝土地基、搭設(shè)從機(jī)位點到建筑的地下電線、裝配并架設(shè)塔筒及機(jī)組、裝置電子元件及開關(guān)、連接與測量、調(diào)試等方面的費(fèi)用。安裝過程容易受天氣及土壤條件的影響。存在諸多機(jī)會，從而進(jìn)一步改進(jìn)分布式風(fēng)電的安裝過程。

（6）降低運(yùn)維成本：風(fēng)電機(jī)組需要定期檢修與進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，從而實現(xiàn)高可靠性和保持最佳發(fā)電性能。可以通過價值工程、智能結(jié)構(gòu)、先進(jìn)監(jiān)控等方法，實現(xiàn)維護(hù)費(fèi)用的大幅下降。

表1 分布式風(fēng)電系統(tǒng)在2014年的平均安裝成本及2030年的成本目標(biāo)

現(xiàn)有和未來的分布式風(fēng)電成本

一、分布式風(fēng)電系統(tǒng)的安裝成本

不同分布式風(fēng)電系統(tǒng)在2014年的平均安裝成本及2030年的成本目標(biāo)如表1所示。

二、容量因數(shù)

分布式風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益在很大程度上受到每臺機(jī)組的容量因數(shù)，或者裝機(jī)容量中單位千瓦年度產(chǎn)出的影響。風(fēng)電最好的一面，也是最壞的一面表現(xiàn)為，發(fā)電量與當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能資源條件以及塔筒高度休戚相關(guān)。相同類型的分布式風(fēng)電機(jī)組安裝于不同地區(qū)，其年平均容量因數(shù)會在2%～40%的范圍內(nèi)變動。

表2展示了各類分布式風(fēng)電系統(tǒng)在2014年的平均容量因數(shù)及2030年的目標(biāo)值。

三、平準(zhǔn)化度電成本

平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）是用于判斷能源生產(chǎn)技術(shù)成本競爭力的常用參考指標(biāo)，也是美國能源部進(jìn)行經(jīng)濟(jì)決策的主要參考指標(biāo)。分布式風(fēng)電的LCOE包含系統(tǒng)在運(yùn)行壽命期間內(nèi)的發(fā)電資產(chǎn)所有權(quán)的總成本，包括機(jī)會成本（用于其他投資可能產(chǎn)生的收益）。

表3展示了各類分布式風(fēng)電系統(tǒng)在2014年的LCOE平均值及2030年的目標(biāo)值。

表2 分布式風(fēng)電系統(tǒng)在2014年的平均容量因數(shù)及2030年的目標(biāo)值

表3 分布式風(fēng)電系統(tǒng)在2014年的LCOE平均值及2030年的目標(biāo)值

2030年分布式風(fēng)電發(fā)展?jié)摿?/h2>

一、分布式風(fēng)電的市場潛力

DWEA依據(jù)各類常見建筑類型數(shù)量的現(xiàn)有最準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，預(yù)測了這一指標(biāo)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(jī)組的平均容量的基礎(chǔ)上，測算了2030年分布式風(fēng)電開發(fā)潛力，具體結(jié)果如表4所示。

擁有足夠可開發(fā)空間和風(fēng)能資源的住宅、農(nóng)場、商業(yè)建筑、學(xué)校、其他設(shè)施的數(shù)量可達(dá)幾百萬個，因此，分布式風(fēng)電的應(yīng)用潛力巨大，有望達(dá)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(fēng)電的市場潛力最高可至320萬千瓦。

二、能源生產(chǎn)潛力

分布式風(fēng)電機(jī)組目前以15%～20%的容量因數(shù)運(yùn)行，這雖然比美國大部分太陽能發(fā)電設(shè)備的容量因數(shù)都高，卻低于風(fēng)電的平均容量因數(shù)——36%。DWEA預(yù)測，在接下來的15年間，分布式風(fēng)電機(jī)組的平均容量因數(shù)將增加至30%，這相當(dāng)于到2030年，理論上年發(fā)電潛力將達(dá)到2.9萬億千瓦時（2900TWh）。

政策驅(qū)動

政策，特別是經(jīng)濟(jì)類激勵政策決定了清潔能源市場的發(fā)展速度。雖然與其他清潔能源技術(shù)相比，分布式風(fēng)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(kuò)大。當(dāng)然，鼓勵或加速分布式風(fēng)電應(yīng)用的非經(jīng)濟(jì)類政策也很重要。

表4 2030年分布式風(fēng)電開發(fā)潛力預(yù)測

圖1 分散式風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模增長走勢

一、聯(lián)邦稅收優(yōu)惠

對美國市場來說，最重要的政策驅(qū)動因素是30%的投資稅收抵免（ITC）：對容量小于100kW的分布式風(fēng)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(fēng)電的ITC政策與延長生產(chǎn)稅優(yōu)惠（PTC，第45款）聯(lián)系緊密，于2014年底到期。由于缺乏適用的ITC，目前中型風(fēng)電機(jī)組市場停滯不前，這是參與容量超過100kW分布式風(fēng)電的制造商和項目開發(fā)商面臨的難題。

DWEA建議，考慮對美國分布式風(fēng)電市場的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，應(yīng)將ITC延期至2016年以后，并取消聯(lián)邦投資稅收抵免中有關(guān)100kW的規(guī)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(fēng)電而言，ITC等前期稅收抵免是更有效的激勵結(jié)構(gòu)。

二、州政府補(bǔ)貼及其他經(jīng)濟(jì)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(jīng)提出補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠等額外的經(jīng)濟(jì)性激勵政策，但各州的經(jīng)濟(jì)性激勵差異較大，持續(xù)時間短。在紐約州等政策支持力度大的地區(qū)，由于優(yōu)惠多，分布式風(fēng)電市場發(fā)展迅速。近年來，受到經(jīng)濟(jì)衰退、各州州長及立法人員工作重心轉(zhuǎn)移等多重因素的影響，州政府對分布式風(fēng)電項目進(jìn)行激勵的頻次和范圍有所下降。

三、農(nóng)業(yè)部REAP補(bǔ)助

自2002年起，美國農(nóng)業(yè)部為農(nóng)場、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的可再生能源和能效項目提供競爭性獎勵補(bǔ)助，達(dá)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(kuò)大對農(nóng)民和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的覆蓋面。美國國會通過農(nóng)業(yè)委員會和撥款委員會已再次授權(quán)并在2019年全年資助廣受歡迎的項目。DWEA強(qiáng)烈支持REAP計劃，支持在可行范圍內(nèi)維持農(nóng)場法案強(qiáng)制資助。

四、凈計量

任何位于負(fù)荷側(cè)的可再生能源系統(tǒng)，總會出現(xiàn)電力產(chǎn)出大于需求的情況。這些多余的電量將輸送到配電網(wǎng)中，出售給附近的家庭或其他用電設(shè)施。聯(lián)邦法律要求所有供電公司為這些電量支付費(fèi)用，但費(fèi)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(fēng)電機(jī)組而言，凈計量由于降低了管理費(fèi)用，相應(yīng)減輕供電公司的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

五、電網(wǎng)要求

供電公司對連接到配電網(wǎng)的設(shè)備提出要求，如果這些要求合理、標(biāo)準(zhǔn)，則可以減少聯(lián)網(wǎng)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(fēng)電和太陽能發(fā)電項目的經(jīng)濟(jì)性以及競爭力，有時會成為刻意阻止此類項目開發(fā)的一種手段。

“到2030年實現(xiàn)3000萬千瓦”倡議

DWEA此前發(fā)起了“到2030年實現(xiàn)3000萬千瓦”的倡議，希望到2030年，使美國的分布式風(fēng)電規(guī)模達(dá)到3000萬千瓦，即從2015年的100萬千瓦開始，平均每年增長30%。

據(jù)此測算，到2030年，美國分布式風(fēng)電行業(yè)的年收入有望達(dá)到127億美元，從業(yè)人口超過15萬，近50萬臺風(fēng)電機(jī)組將產(chǎn)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(fēng)電機(jī)組所帶來的環(huán)境效益相當(dāng)于少排放4480萬噸二氧化碳，相當(dāng)于1150萬輛汽車的排放量。

構(gòu)成推動“到2030年實現(xiàn)3000萬千瓦”倡議落地的政策基礎(chǔ)包括：

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

（2）作為ITC擴(kuò)展的一部分，為戶用型風(fēng)電系統(tǒng)提供40%的ITC優(yōu)惠，最大功率為20kW；

（3）增加美國能源部（DOE）對分布式風(fēng)電研發(fā)的預(yù)算投入，至少達(dá)到風(fēng)能研究總預(yù)算的15%；

（4）當(dāng)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(fēng)力發(fā)電；

（5）鼓勵農(nóng)村電力合作社向會員銷售并資助分布式風(fēng)電系統(tǒng)；

（6）支持出口美國制造的分布式風(fēng)電技術(shù)。

結(jié)論

DWEA相信，位于用戶側(cè)的中小型風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿薮?，可達(dá)到百萬千瓦級別。但需要聯(lián)邦和州一級政府共同努力，以加速技術(shù)與制造環(huán)節(jié)的進(jìn)步和分布式風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)展。如此，預(yù)計到2030年年底，分布式風(fēng)電將為美國創(chuàng)造超過15萬個就業(yè)機(jī)會，讓消費(fèi)者有更豐富的清潔能源選項，極大地促進(jìn)出口，并為環(huán)境保護(hù)做出巨大貢獻(xiàn)。

發(fā)展分布式風(fēng)電釋放的利好會集中在農(nóng)村地區(qū)，各州都會從中有所收益。DWEA認(rèn)為，政策上應(yīng)更關(guān)注分布式風(fēng)電，使其占有一席之地。

[編譯自美國分布式風(fēng)電協(xié)會（DWEA）發(fā)布的《美國分布式風(fēng)電發(fā)展展望（2015-2030）》]