屋顶风能技术新突破，分散式风电将迎爆发增长
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碳中和领域的《新青年》
摘要：技术革新和政策驱动将会成为分散式风电冲刺的号令枪，在革命性的屋顶分布式风能技术和一系列政策红利的驱动下，分散式风电将迎来快速发展期，未来可期。
撰文 | Penn
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第380篇原创
在全球范围内，分散式风电和分布式光伏是两种主流的可再生能源分布式应用模式。
但在过去数年里，受制于建设成本高、审批流程繁复、土地、融资、并网等诸多因素，分散式风电相对于集中式风电和分布式光伏，依然发展缓慢。
分散式风电在欧洲兴起，特别是丹麦和德国，技术和商业模式都臻于成熟。在中国和美国，相对高歌猛进的光伏却略显落寞。
但近期，包括中国在内的一些国家，政策方面开始鼓励分布式风电的发展；技术上也屡屡获得突破。这为分布式风电的发展打开了巨大空间。
最近，来自英国的Katrick和来自美国的Aeromine分别公布了有别于传统叶片涡轮机的分布式风能技术，有望改变分散式风电的游戏规则。此外，中美两国在政策层面也对分散式风电予以了更大的支持，分散式风电正逐步迈入高速增长阶段，未来有望成为推动风电装机增长的一大主力。
图说：分散式风力发电系统
来源：CWEA，长江证券研究所
01
分散式风电的潜力及政策助力
去年，国家能源局正式提出“千乡万村驭风计划”，就此打开了分散式风电的市场空间。2021 年9 月，国内多个城市与风电企业发起“风电伙伴行动·零碳城市富美乡村”方案，并率先提出“十四五”期间风电下乡总装机规模50GW 的目标。
从各省项目规划情况看，十三五末期规划的分散式风电总规模已接近20GW。据《长江证券》预计十四五期间将十三五规划的项目落地，实现50GW 分散式装机规模的确定性较高，年均新增10GW 左右。
长期来看，根据中国风能协会测算，按照全国 69万个行政村计算，假如其中有 10 万个村庄可以在田间地头、村前屋后、乡间路等零散土地上找出200 平方米用于安装 2 台5 兆瓦（MW）风电机组，全国就可实现1000 GW的分散式风电装机规模。若按69 万个村庄单个村庄安装1 台4-5MW 风机，则潜在市场规模也将达到上千吉瓦（GW ）级别。在此基础上，若分散式风电的渗透率进一步提升，或单个村庄的风机数量进一步增长，分散式风电的潜在市场空间有望进一步向上，为风电装机提供较大的增量。
图说：耐克太仓分布式风力发电项目
来源：远景能源
2017年，国家能源局首次推出《关于加快推进分散式接入风电项目建设有关要求的通知》，业界认为分散式风电发展的“春天”已经到来。然而，政策颁布初期，受制于核准周期长、建设用地限制大、融资和建设成本高、运维管理难等问题，分散式风电的推进举步维艰。
如今，分散式风电已经迈过了那段幼稚期，正稳步迈向成熟期。
十四五以来，政策端对分散式风电持续推动，2021 年国家能源局在第四届风能开发企业领导人座谈对风电下乡亦有所展望，指出中东南地区重点推进风电就地就近开发，特别在广大农村实施“千乡万村驭风计划”。
今年，国家能源局发布《加快农村能源转型发展助力乡村振兴的实施意见》，提出将推动千村万户电力自发自用，支持具备资源条件的地区，特别是乡村振兴重点帮扶县，建设分布式风电和光伏发电。5月30日，国家发改委、国家能源局发布了《关于促进新时代新能源高质量发展实施方案的通知》，文件提出风电项目由核准制调整为备案制，积极推进乡村及工业企业分散式风电开发，打通了过去分散式风电项目的一大壁垒。
图说：十四五以来国内对分散式风电发展持续出台支持政策
来源：长江证券研究所
不久后，地方层面便积极响应。吉林省能源局发布《吉林省能源局2022 年度推进新能源乡村振兴工程工作方案》，成全国首个省级“新能源+乡村振兴”方案。四川省发改委与能源局印发《关于进一步规范风电建设管理有关事项的通知》，同样明确集中式风电项目由省发展改革委核准，分散式风电项目由市（州）发展改革委核准，推动风电项目由核准制调整为备案制。
整体看，在国家层面政策的持续驱动下地方政府积极响应，在经济性大幅提升背景下有望大幅带动分散式风电的潜在需求。
除了中国，远在大洋彼岸的美国也具有丰富的分散式风电潜力并与近期迎来了政策利好。
根据美国国家可再生能源实验室（NREL）的新分析，美国今天有潜力提供近1400 GW的分布式风能容量，并从中获利。同时，NREL 研究人员分析了分布式风能在实现美国到 2035 年实现 100% 清洁电力目标方面可能发挥的作用，他们确定美国有足够的分布式风能潜力来供应美国目前年用电量的一半以上。在政策方面，美国刚立法不久的《通货膨胀削减法案》中则规定对对低收入社区符合标准的风电、光伏设施增加10-20%的税收优惠，将会进一步推动美国国内分布式风电及光伏的发展。
02
屋顶风电技术的新突破
除了政策助力，近期，在技术革新方面，分散式风电也引来了新的突破。科研人员们把目光投向了不同于传统涡轮风机的无叶片风能装置。
英国可再生能源公司Katrick Technologies 设计了一种独特的风力发电面板系统，可利用来自地面和低空环境的风能生产可持续能源。与传统涡轮机相比，这些面板使用更广泛的风频和风速，使用单独作用的翼型来捕获动能并将其转化为绿色电力。风力发电板中包含多层机翼，不同尺寸的机翼增加了利用动能的表面积，当风穿过面板时，它们会独立振荡，产生能量，然后可以将其转化为可持续的电力。
图说：Katrick安装在机场的风能面板系统
来源：Katrick
在实践中，面板可以安装在跑道附近、路边或建筑物顶部。由于其较小的尺寸和模块化配置，它们还可以与现有陆上风电场等新建场地互补，最大限度地发挥场地的发电潜力。该公司目前正在与格拉斯哥机场进行风测图项目，以确定现场安装的面板可以产生多少电力。研究表明，该技术每年每10kW额定面板阵列可产生高达 22000 千瓦时的电力。目前，Katrick已将其风力发电面板系统应用于Silverburn 购物中心及Howard Tenens的仓储设施中。
图说：Katrick安装在Silverburn 购物中心屋顶的风能面板系统
来源：Katrick
与传统叶片涡轮机相比，Katrick Technologies 的风力发电板具有以下关键优势：
1/
尺寸小，更易于建造和安装，同时在工作空间内保持较大的表面积，这也意味着它们可以安装到现有结构中，即使在城市和住宅环境中也是如此。
2/
面板的尺寸和翼型的配置使它们能够捕获所有速度和频率的风，包括涡轮机无法进入的地面风。
3/
由于其模块化设计和快速部署，它们可以在任何规模上轻松实施。它们还需要很少的维护，从而延长了它们的整体生命周期。
此外，美国休斯顿大学的附属公司 Aeromine Technologies 也设计了一种创新性的屋顶无叶片风能装置，该系统已通过与阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室和德克萨斯理工大学的联合研究得到验证，可轻松安装在建筑物的边缘，并且可以在与屋顶太阳能相同的成本下产生多达 50% 的能量，同时仅只需太阳能电池板所需屋顶空间的 10%。
图说：Aeromine 屋顶无叶片风能装置
来源：Aeromine
该系统由多个静止的、静音的单元组成，这些单元采用专利空气动力学设计，可在低至 5 英里/小时的风速下捕获并放大建筑气流，类似于赛车上的翼型。具体运行时，这些固定的机翼向风中倾斜，在设备的中心产生低压真空区域，通过机翼本身或中间圆杆上的穿孔吸入空气，以填充该低压区，此过程中管道中的一个相对较小的内部螺旋桨将运转并进行发电。
图说：安装在屋顶的Aeromine 屋顶无叶片风能装置
来源：Aeromine
Aeromine 的无叶片风能装置系统通常由 20 到 40 个单元组成，安装在面向主要风向的建筑物边缘，可安装于仓库和配送中心、制造设施、办公楼、多户住宅开发和大型零售店等平屋顶建筑物。该系统静音且易于安装，使其成为现场可再生能源的经济高效且节省空间的解决方案。
根据Aeromine 2021 年 1 月向 AFWERX Reimagining Energy 挑战提出的解决方案中，这些单元的每个额定功率为 5 kW，相当接近一个典型的21片家用屋顶太阳能系统的输出。在新闻稿中，Aeromine也表示，一个无叶片风能装置单元可提供与多达 16 个太阳能电池板相同的电量。
此外，Aeromine 的无叶片风能装置系统可以与现有太阳能解决方案进行无缝集成，Aeromine 系统的屋顶占地面积小，因此可以利用太阳能电池板覆盖屋顶的其余部分，实现太阳能与风能的互补使用。该技术是传统分布式风力涡轮机的重大飞跃，传统分布式风力涡轮机不适合大多数屋顶应用。目前，巴斯夫正在其位于密歇根州怀恩多特的制造厂测试该系统。
Aeromine 首席执行官大卫·阿萨诺 (David Asarnow) 表示：“这是一个改变游戏规则的技术，为快速增长的屋顶发电市场增加了新的价值，帮助企业利用尚未开发的分布式可再生能源实现其弹性和可持续发展目标。Aeromine的专利技术为现场发电市场带来了风能的性能，减轻了旋转的风力涡轮机和效率较低的太阳能电池板所带来的传统限制。”
03
未来可期
当前风电产业正处于发展的“十字路口”，分布式风电被认为是撬动产业下一轮爆发的“蓝海”。今年以来，一系列政策红利试图带动分布式风电“换挡”进入快车道。今年，国家能源局等九部门联合印发的《“十四五”可再生能源发展规划》提出，“十四五”期间通过试点示范，在全国100个县中优选10000个行政村，推动乡村风电开发。
图说：汤阴风电项目
来源：远景能源
在此情况下，多家行业研究机构都预测认为，分散式风电装机已经步入了高速增长期。平安证券指出，2021 年以来风机价格大幅下降，分散式风电有条件在平价的同时与乡村振兴融合，风资源数据库以及测风数据共享等机制将有效解决分散式风电测风相关问题，核准制改备案制将简化分散式风电项目开发的前期流程，这些因素有望合力推动国内分散式风电的兴起，打开陆上风电的成长空间。
厦门大学中国能源政策研究院院长林伯强表示，在未来新型能源系统中，风电、光伏占比要到65%至70%，而目前风电、光伏在能源结构中占比还不足5%，风电仍有很大的发展空间。集中式风电、分散式风电各有优势，缺一不可，分散式风电未来潜力巨大。
陆上集中式风电、海上风电和分散式风电被称为拉动国内风电规模化发展的“三驾马车”。集中式风电与海上风电已行到中途，技术革新和政策驱动则将会成为分散式风电这架“马车”冲刺的号令枪，分散式风电未来可期。
注：首图来源于CROPP Cooperative
END
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