2030年美国分布式风电发展展望

分布式风电

一、定义

严格地讲，分布式风电指的是所有满足本地用电负荷的风电设施。美国能源部（DOE）能效和可再生能源（EERE）风能与水电技术办公室则根据风电项目位置与终端负荷和配电网结构的关系来定义分布式风电，而不是根据技术或项目规模来定义。

分布式风电与家庭、学校、农牧场、企业、公共设施、工厂设备、离网场所等负荷侧直接或虚拟相连处，所发电量全部或大部分实现就地消纳，或并入电网。

分布式风电系统通常归个人、家庭、学区、医院、农牧场、企业、市政当局、部落等当地实体所有。

二、分布式风电最重要的五种属性

分布式风电所具有的独特属性包括：

（1）设备在本土制造：与其他清洁技术所用设备不同，美国应用的大部分中小型分布式风电机组均是美国制造。美国设备制造商生产的此类设备，价格低，质量可靠。这些产品也销售至国外市场，年出口量占全部销量的30%～50%。

（2）成本下降和市场发展前景广阔：与大型风电和太阳能光伏等其他发展成熟的可再生能源技术类型相比，分布式风电所获得的政府扶持与私有投资较少，因此，中小型风电机组在技术发展和制造规模方面相对落后，通过技术创新和规模化生产可以显著降低其成本。

（3）环境影响小：分布式风电机组主要安装在已经受到人们生产和生活影响过的土地上，对环境造成的干扰相对较小。

（4）可以进一步增强现有电网：分布式风电系统在配电网上的终端负荷附近提供电力，无需新建输电线路，可通过提供电压支持、为弱电源提供无功功率（VAR），从而提高供电质量。

（5）成本较高，但售电价格更高：与传统集中式风电相比，分布式风电系统的平准化度电成本（LCOE）更高，但售电价格也更高，因为它们实际上是销售给零售商而不是批发市场。

现有和未来科技

一、分布式风电系统如何配合电网

分布式风电系统通常有一台或多台机组，这些机组与家庭及企业的用电设施连接。当机组不发电时，家庭及企业从公共事业级电网中获取所需的全部电力；当机组发电时，家庭及企业从供电电网中获得的电量减少。这样，分布式风电主要通过降低每月的电费来创造经济效益。

如果机组产生的电量大于用电设施所需，多余电量会传输至电网，供临近的家庭和企业使用。联邦法令规定人们有权安装、运行分布式风电机组，也有权用富余电量获取售电费用。

二、技术困难

分布式风电机组通常每年要运行6000～8000小时，相当于让一辆车一年行驶15万英里（约241401.6千米）。机组还应至少可以最低维护成本持续运行20年。尽管雷暴、飓风、冰雹、雪、雨水、闪电、地震、沙尘暴、盐雾等都会对机组造成影响，但它仍需要自动、安全地运行。因此，要想设计完善的小型风电机组，这无疑是一项困难重重的工程。令人欣慰的是，一些分布式风电机组已运行了35年以上（仍在运行），且前20多年的可利用率几乎到达100%，维护成本则近乎为零。

三、先进技术

过去对中小型分布式风电技术研发和部署的公共投入较少，分布式风电的机组和制造技术不如大型风电、太阳能光伏等其他发展成熟的清洁能源技术先进。好消息是，如出现重大技术进步及制造能力提升，将可以显著降低成本。

如若能推动以下几方面的技术发展，分布式风电系统的应用前景广阔。

（1）设计更多高效的叶轮与叶片结构：叶轮包括两到三支叶片，是风电系统最重要的组成部分，也是需要创新的部分。大型风电系统从新的翼型中受益良多，通过新型叶片结构，可以将更大型的叶轮安装在更小的传动系统、塔筒、地基上。因此，虽然安装成本会小幅上升，但增加的发电量会显著提高收益，从而有效降低LCOE。

（2）设计更多高效的发电机，提高产量：发电机将叶轮捕捉到的风能转化为电能。在大型风电机组中，部分机型采用齿轮箱和高速发电机，部分机型则采用低速发电机，并去掉齿轮箱。但是，大部分户用型的风电机组安装了专用直驱式发电机，这为提高效率、设计出更大单机容量的机型创造了条件。

（3）优化和简化电力电子/控制：为了连入电网，很多小型风电系统使用主要适用于小型太阳能光伏组件的变流器，因此，性能受到影响。电力电子技术不断发展，诸多机会涌现出来，可应用最先进的技术，从而提高中小型风电机组的性能，并降低其成本。

（4）改进塔筒设计：即使是最小的分布式风电机组都需要放置在至少80英尺（约24.38米）的塔架上，以此降低地面对风速的影响，并减少湍流的干扰。对于中小型风电系统而言，需要改进塔架设计，使其占地面积小、外观更美观、生产及安装成本低。

（5）优化安装环节：安装成本可达到中小型风电系统总安装成本的30%。安装费用包括挖掘、成型、加固、浇铸、完成混凝土地基、搭设从机位点到建筑的地下电线、装配并架设塔筒及机组、装置电子元件及开关、连接与测量、调试等方面的费用。安装过程容易受天气及土壤条件的影响。存在诸多机会，从而进一步改进分布式风电的安装过程。

（6）降低运维成本：风电机组需要定期检修与进行预防性维护，从而实现高可靠性和保持最佳发电性能。可以通过价值工程、智能结构、先进监控等方法，实现维护费用的大幅下降。

表1 分布式风电系统在2014年的平均安装成本及2030年的成本目标

现有和未来的分布式风电成本

一、分布式风电系统的安装成本

不同分布式风电系统在2014年的平均安装成本及2030年的成本目标如表1所示。

二、容量因数

分布式风电的经济效益在很大程度上受到每台机组的容量因数，或者装机容量中单位千瓦年度产出的影响。风电最好的一面，也是最坏的一面表现为，发电量与当地的风能资源条件以及塔筒高度休戚相关。相同类型的分布式风电机组安装于不同地区，其年平均容量因数会在2%～40%的范围内变动。

表2展示了各类分布式风电系统在2014年的平均容量因数及2030年的目标值。

三、平准化度电成本

平准化度电成本（LCOE）是用于判断能源生产技术成本竞争力的常用参考指标，也是美国能源部进行经济决策的主要参考指标。分布式风电的LCOE包含系统在运行寿命期间内的发电资产所有权的总成本，包括机会成本（用于其他投资可能产生的收益）。

表3展示了各类分布式风电系统在2014年的LCOE平均值及2030年的目标值。

表2 分布式风电系统在2014年的平均容量因数及2030年的目标值

表3 分布式风电系统在2014年的LCOE平均值及2030年的目标值

2030年分布式风电发展潜力

一、分布式风电的市场潜力

DWEA依据各类常见建筑类型数量的现有最准确数据，预测了这一指标在2030年的变化情况，并在剔除限制因素以及评估最适合各类建筑的机组的平均容量的基础上，测算了2030年分布式风电开发潜力，具体结果如表4所示。

拥有足够可开发空间和风能资源的住宅、农场、商业建筑、学校、其他设施的数量可达几百万个，因此，分布式风电的应用潜力巨大，有望达到百万千瓦级别。

市场研究公司Navigant Research的报告显示，到2030年，全球中小型分布式风电的市场潜力最高可至320万千瓦。

二、能源生产潜力

分布式风电机组目前以15%～20%的容量因数运行，这虽然比美国大部分太阳能发电设备的容量因数都高，却低于风电的平均容量因数——36%。DWEA预测，在接下来的15年间，分布式风电机组的平均容量因数将增加至30%，这相当于到2030年，理论上年发电潜力将达到2.9万亿千瓦时（2900TWh）。

政策驱动

政策，特别是经济类激励政策决定了清洁能源市场的发展速度。虽然与其他清洁能源技术相比，分布式风电的激励政策较为薄弱，但目前正在迎头赶上，市场也在逐步扩大。当然，鼓励或加速分布式风电应用的非经济类政策也很重要。

表4 2030年分布式风电开发潜力预测

图1 分散式风电装机规模增长走势

一、联邦税收优惠

对美国市场来说，最重要的政策驱动因素是30%的投资税收抵免（ITC）：对容量小于100kW的分布式风电而言，ITC政策于2009年颁布，2016年到期。容量大于100kW的分布式风电的ITC政策与延长生产税优惠（PTC，第45款）联系紧密，于2014年底到期。由于缺乏适用的ITC，目前中型风电机组市场停滞不前，这是参与容量超过100kW分布式风电的制造商和项目开发商面临的难题。

DWEA建议，考虑对美国分布式风电市场的发展起着至关重要的作用，应将ITC延期至2016年以后，并取消联邦投资税收抵免中有关100kW的规模限制。由于市场对资本成本和投资回收期十分敏感，对分布式风电而言，ITC等前期税收抵免是更有效的激励结构。

二、州政府补贴及其他经济性激励措施

虽然纽约、俄勒冈、加利福尼亚、马萨诸塞、马里兰、北卡罗来纳等州政府已经提出补贴、税收优惠等额外的经济性激励政策，但各州的经济性激励差异较大，持续时间短。在纽约州等政策支持力度大的地区，由于优惠多，分布式风电市场发展迅速。近年来，受到经济衰退、各州州长及立法人员工作重心转移等多重因素的影响，州政府对分布式风电项目进行激励的频次和范围有所下降。

三、农业部REAP补助

自2002年起，美国农业部为农场、乡镇企业的可再生能源和能效项目提供竞争性奖励补助，达到项目总成本的25%。过去几年，这些资金主要用于能效项目和太阳能项目。2015年，政策加以改革，会扩大对农民和乡镇企业的覆盖面。美国国会通过农业委员会和拨款委员会已再次授权并在2019年全年资助广受欢迎的项目。DWEA强烈支持REAP计划，支持在可行范围内维持农场法案强制资助。

四、净计量

任何位于负荷侧的可再生能源系统，总会出现电力产出大于需求的情况。这些多余的电量将输送到配电网中，出售给附近的家庭或其他用电设施。联邦法律要求所有供电公司为这些电量支付费用，但费率一般低于零售价。净计量是州政府或供电公司采取的一种策略，允许对富余电量加以“存储”，到供电不充足时加以使用，通常即允许电表“倒着走”。对户用型风电机组而言，净计量由于降低了管理费用，相应减轻供电公司的经济负担。

五、电网要求

供电公司对连接到配电网的设备提出要求，如果这些要求合理、标准，则可以减少联网许可。但是在有些情况下，这些要求超出合理的范畴，会加大用户的成本。这种做法会降低风电和太阳能发电项目的经济性以及竞争力，有时会成为刻意阻止此类项目开发的一种手段。

“到2030年实现3000万千瓦”倡议

DWEA此前发起了“到2030年实现3000万千瓦”的倡议，希望到2030年，使美国的分布式风电规模达到3000万千瓦，即从2015年的100万千瓦开始，平均每年增长30%。

据此测算，到2030年，美国分布式风电行业的年收入有望达到127亿美元，从业人口超过15万，近50万台风电机组将产生660亿千瓦时绿色电力，可以满足580万家庭的用电需求。这些风电机组所带来的环境效益相当于少排放4480万吨二氧化碳，相当于1150万辆汽车的排放量。

构成推动“到2030年实现3000万千瓦”倡议落地的政策基础包括：

（1）将针对分布式风电的现有ITC延期若干年，或取消联邦投资税收抵免的100kW限制，并提供长期延期；

（2）作为ITC扩展的一部分，为户用型风电系统提供40%的ITC优惠，最大功率为20kW；

（3）增加美国能源部（DOE）对分布式风电研发的预算投入，至少达到风能研究总预算的15%；

（4）当前或更高的资金水平上维持2019年及以后的REAP计划，同时更加支持分布式风力发电；

（5）鼓励农村电力合作社向会员销售并资助分布式风电系统；

（6）支持出口美国制造的分布式风电技术。

结论

DWEA相信，位于用户侧的中小型风电系统的发展潜力巨大，可达到百万千瓦级别。但需要联邦和州一级政府共同努力，以加速技术与制造环节的进步和分布式风电系统的发展。如此，预计到2030年年底，分布式风电将为美国创造超过15万个就业机会，让消费者有更丰富的清洁能源选项，极大地促进出口，并为环境保护做出巨大贡献。

发展分布式风电释放的利好会集中在农村地区，各州都会从中有所收益。DWEA认为，政策上应更关注分布式风电，使其占有一席之地。

[编译自美国分布式风电协会（DWEA）发布的《美国分布式风电发展展望（2015-2030）》]