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基于综合集成法的江苏省潮间带风电产业可持续发展评价

宗雪 刘佰琼 顾云娟 沈永明 张东

引用本文:
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基于综合集成法的江苏省潮间带风电产业可持续发展评价

    作者简介: 宗雪(1993-), 女, 河北廊坊人, 硕士研究生, 主要从事海洋资源管理与开发方面研究, E-mail:njnuzxs@163.com;
    通讯作者: 沈永明, yongmingsh@163.com
  • 基金项目: 江苏省自然科学青年基金"基于空间相互作用的我国海洋经济格局演变研究" BK20161018
    国家自然科学基金重点项目 U1609203

  • 中图分类号: X822.7

Evaluation on sustainable development of wind power industry in Jiangsu province based on comprehensive integration method

    Corresponding author: Yong-ming SHEN, yongmingsh@163.com ;
  • CLC number: X822.7

  • 摘要: 以2012~2015年江苏省潮间带风电产业数据为基础,结合江苏省潮间带风电产业实际发展情况,建立了江苏省潮间带风电产业可持续发展评价指标体系,对潮间带风电产业可持续发展水平进行了总体评价。利用数据包络分析模型,从投入-产出视角来衡量潮间带风电产业可持续发展效率。得出如下结论:2012~2015年,江苏省潮间带风电产业可持续发展综合水平指数从0.345上升至0.605;可持续发展综合效率平均值为0.916,整体效率处在较高水平。在2012~2013年,存在可持续发展无效、投入过剩和产出不足的情况,2014年后可持续发展效率进入良性发展阶段。根据投入指标的影响力分析,可知经济投入指标对投入产出效率影响最大,而科技创新投入指标影响力最小,还需进一步加强科技投入与人才吸引。
  • 图 1  江苏省潮间带风电产业可持续发展水平综合指数值

    Figure 1.  Comprehensive index mark exponential of sustainable development level of intertidal wind power industry in Jiangsu province

    表 1  江苏省潮间带风电产业可持续发展评价指标

    Table 1.  Evaluation index for sustainable development of intertidal wind power industry in Jiangsu province

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    表 2  可持续发展水平评价等级划分标准

    Table 2.  Criteria for assessing the level of sustainable development

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    表 3  江苏省潮间带风电产业可持续发展评价指标权重

    Table 3.  Weight of evaluation index for sustainable development of intertidal wind power industry in Jiangsu province

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    表 4  江苏省潮间带风电产业可持续发展评价指数

    Table 4.  Evaluation index mark exponential for the sustainable development of intertidal wind power industry in Jiangsu province

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    表 5  江苏省潮间带风电产业投入产出效率值

    Table 5.  Input-output efficiency of intertidal wind power industry in Jiangsu

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    表 6  不同方案下江苏省潮间带风电产业可持续发展的DEA效率值

    Table 6.  DEA efficiency of sustainable development of intertidal wind power industry in Jiangsu under different scenarios

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-03
  • 录用日期:  2018-03-12
  • 刊出日期:  2019-06-20

基于综合集成法的江苏省潮间带风电产业可持续发展评价

    作者简介:宗雪(1993-), 女, 河北廊坊人, 硕士研究生, 主要从事海洋资源管理与开发方面研究, E-mail:njnuzxs@163.com
    通讯作者: 沈永明, yongmingsh@163.com
  • 1. 南京师范大学 地理科学学院, 江苏 南京 210023
  • 2. 江苏省海洋经济监测评估中心, 江苏 南京 210023
基金项目:  江苏省自然科学青年基金"基于空间相互作用的我国海洋经济格局演变研究" BK20161018国家自然科学基金重点项目 U1609203

摘要: 以2012~2015年江苏省潮间带风电产业数据为基础,结合江苏省潮间带风电产业实际发展情况,建立了江苏省潮间带风电产业可持续发展评价指标体系,对潮间带风电产业可持续发展水平进行了总体评价。利用数据包络分析模型,从投入-产出视角来衡量潮间带风电产业可持续发展效率。得出如下结论:2012~2015年,江苏省潮间带风电产业可持续发展综合水平指数从0.345上升至0.605;可持续发展综合效率平均值为0.916,整体效率处在较高水平。在2012~2013年,存在可持续发展无效、投入过剩和产出不足的情况,2014年后可持续发展效率进入良性发展阶段。根据投入指标的影响力分析,可知经济投入指标对投入产出效率影响最大,而科技创新投入指标影响力最小,还需进一步加强科技投入与人才吸引。

English Abstract

  • 风能凭借其可持续利用和环境友好的特点成为人类发展进程中的重要能源,根据国家发展和改革委员会制定的风力发展目标,2020年可再生能源的发电比例可以达到15%以上,2040年之后可以达到30%或更高的水平[1]。我国沿海风能资源丰富,沿海风电开发分为潮间带风电和海上风电[2]。潮间带风电与海上风电相比,运行环境较为简单、技术要求较低、施工难度小,因此潮间带风电项目的开发在沿海乃至全国风电发展中占有非常重要的地位。

    海洋产业的可持续性内涵可以概括为海洋经济的持续性、海洋生态的持续性和社会发展持续性,其最根本的核心表现在“发展”和“持续”两个方面。潮间带风电产业在发展过程中面临着诸多问题,对风电产业的可持续发展产生了一定程度上的负面影响。在建设初期,面临着投入资金大、厂址选择难、工程与海岸带生态环境矛盾较大等问题;风电场建成后,还面临着风电并网、日常运行与维护等问题[2-3]。在中国庞大的风电规划和跳跃式发展背景下,如何合理有效利用有限风力资源、严格执行环保制度、提高可持续发展能力、保持适度增长状态,实现与社会、环境的共同发展,还有待进一步探索。

    从国内外有关资料检索的结果看,海上风电评估研究成果主要集中在海上风电项目的可行性评估和后评估。Ngala等人在2007年从风资源条件、风电技术、环境影响三个方面,对风电项目进行可行性评价[4]。李淼将大连驼山风电项目后评价分解为项目财务评价、项目影响评价、项目可持续性评价三个一级评价目标,确立了投资财务内部收益率、经济内部收益率、经济净现值等几个具体的指标计算公式[5]。邵利洁建立了基于环境保护评价、工程节能与环保效益评价、社会经济评价的风电场社会效益指标体系,建立了模糊综合评价模型[6]。严晓建以江苏省潮间带风电为例,详细介绍了国内外风电产业的制度创新,从科技、社会、环境三方面建立沿海风能开发综合效益评估模型[7]

    以上研究均解决了风电项目的综合评价问题,但是对于区域性大尺度海上风电企业的规模性评价较少,评估手段没有摆脱人为主观赋权的弊端,同时不能兼顾总体评价与效率评价的全面分析。本文尝试采用综合集成的思想,将熵值法和DEA方法相结合,依托2012~2015年江苏省潮间带风电产业数据建立了潮间带风电场可持续发展的评价指标体系,分别对江苏省风潮间带电产业的可持续发展水平和可持续发展效率进行评价。文章同时考虑到潮间带风电的特殊性,将桩基布设和海底电缆布设造成的经济、环境影响加入评价指标,对江苏省潮间带风电的可持续发展进行静态和动态评价,从发展质量和相对效率的视角来衡量风电产业可持续发展状况,整体上把握江苏省潮间带风电产业的发展趋势。

    • 在评价潮间带风电产业可持续发展能力时,应充分考虑到潮间带风电企业的特点对可持续发展能力产生的影响,维持其协调有序的发展,必须综合经济、社会、生态三方面因素协调发展。根据国内外针对风电项目评价指标体系构建成果及咨询相关领域专家,结合江苏省潮间带风电开发的特点,从投入产出的角度出发,构建由3个一级指标、6个二级指标以及16个三级指标构成的潮间带风电产业可持续发展评价指标体系(表 1)。具体设计如下。

      表 1  江苏省潮间带风电产业可持续发展评价指标

      Table 1.  Evaluation index for sustainable development of intertidal wind power industry in Jiangsu province

      (1) 经济可持续发展能力

      传统风电企业建设主要成本指标包括风电场建设成本指标和营业成本指标,常规建设期成本主要包括风电机组购置成本、电缆成本、接网成本、建设成本、其他成本(安装,技术指导等)[8]。由于潮间带风电场距离海岸线较近,电缆及其安装成本不会明显提高。与陆上风电不同的是,潮间带风电场除风机架设成本还需考虑使用带来的额外成本,即海域使用成本,包括用海养殖补偿、海域使用金等[9]。风电企业投产运行中的营业成本指标,主要包括设备折旧费、相关税费、利息费用、日常杂费。

      在经济业绩子系统下,经济投入指标依据企业相关财务数据进行设计。总产值指标反应企业生产总成果,并不说明经营状况的好坏和经济效益;利润总额指标是企业在报告期内实现的利润,集中反映企业生产经营活动各方面的效益;年平均利用小时数指标表示风电设备的利用效率;年累计装机量指标反应区域内风力发电开发规模。

      (2) 社会可持续发展能力

      科技创新投入指标作为风电企业的科技投入力量,采用企业内大专以上学历员工比重和企业科研人员比重两项指标,总体反映企业的竞争潜力以及吸引的各地优秀人才能力。

      风电企业的发展对社会最直接的效益是吸纳劳动力,故采用新增就业率指标。社会开发效果指标采用当地发放问卷调查及咨询专家意见等手段,调查咨询内容主要包括风电企业发展对于优化产业结构、增加地区资本、群众的环保意识的提高程度、对项目的接受度、满意度等。

      (3) 生态可持续发展能力

      除风机架设后产生的噪音及对鸟类的影响等普遍生态问题,潮间带风电工程会对海岸带生态环境造成一定影响,如引起冲淤环境、地形地貌变化、海底泥沙悬浮物搅动等,根据工程的环境影响报告结论得出项目对以上因素影响通常较小,工程结束影响消失[10-11]。故本文主要考虑潮间带风电项目对生态最直接影响,即对滩涂资源的占用面积、海洋生物资源的损失以及生态服务价值的损失三项指标。在对滩涂资源面积占用数据的处理上,本文采用风电场实际占用面积,而非确权面积,原因在于为鼓励海上风电发展,我国海上风电项目的用海方式和面积是按照单个风机机组的装机基础占用的海域面积界定,并未将风电项目实际占用的整个海域纳入用海面积,因此采用风电场风电机组布置的最外缘包络线为实际用海面积[9]。海洋生物资源损失为潮间带风电工程开发过程中造成的海洋生物资源损失与工程用海面积之比。衡量风电项目对生态服务功能的影响,首先要对滩涂生态服务价值进行评估。依据徐敏[12]等得出的江苏滩涂平均生态服务价值为4万元/hm2·a。

      同时作为清洁能源的风电,利用风力发电将大规模节约不可再生化石能源使用量。相对与目前占据主流地位的火电、核电项目而言,风电在运行中可以大幅度减少CO2、SO2等有害气体以及煤炭燃烧后灰渣的排放,对生态可持续发展具有重要意义。本文选取消耗性能源节约量和减少废弃物排放量作为风电企业对环境可持续发展的贡献指标,每年依靠风能为产生的电量,按替代火电标准煤耗330 g/kWh计算,计算结果为消耗性能源节约量。同时计算燃烧消耗性能源所释放的有害气体为风电减少废弃物排放量。

    • 为避免量纲的差异所带的不可预知的影响,对上述构建的评价指标进行无量纲化处理,即指标的标准化[13]。对于参照标准体系确定的各指标的标准化系数,采用极差标准化方法将各指标分值转换到0~1之间的标准化值,设vij为第j年第i个指标,qij为第j年第i个指标标准值,则其对应的正负指标标准化公式为:

    • 潮间带风电可持续发展水平评价将利用熵值法确定指数权重。熵值法是目前应用较为广泛的客观评价方法,一般认为:信息熵越高,系统结构越均衡,差异越小,或者变化越慢;反之,信息熵越低,系统结构越是不均衡,差异越大,或者变化越快[14]。所以,可以根据熵值大小,也即各项指标值的变异程度计算出权重。处理步骤如下:

      ① 对指标做比重变换,计算第j项指标下第i个被评价对象占该指标的比重:

      ② 指标信息熵值e的信息效用值d

      j项指标的信息熵值为:

      计算各个评价指标效用值:

      ③ 计算指标权重:

    • 采用线性加权和法算出的可持续发展综合指数是0~l的连续数值,根据海洋资源开发效益的综合研究成果[12, 15],将0~1的连续数值划分为四份即0~0.3,0.3~0.5,0.5~0.7和0.7~1分别对应较差、一般、较好和极好四种状态,评价标准如表 2

      表 2  可持续发展水平评价等级划分标准

      Table 2.  Criteria for assessing the level of sustainable development

    • 对潮间带风电可持续发展效率评价将从系统投入产出角度出发,通过相对效率来评价潮间带风电产业的可持续发展状况。将线性加权和求出的各项控制层指数作为数据基础,采用数据包络分析(DEA)对潮间带风电可持续发展效率进行评价。DEA评价模型基本原理如下。

      数据包络分析(DEA)由Charnes,Cooper和Rhhodes于1978年提出[16],是一种用以评价各决策单元(DMU)之间相对有效性的分析方法[17]。一个DMU就是一个将一定“输入”转化成一定“输出”的实体。DEA模型中CCR模型主要用来评价相对规模和相对技术的有效性[17]

      设有n个决策单元DMUj(j=1,2,…n)有m种输入(表示该决策单元对资源的消耗)和s种输出(表示该决策单元消耗资源之后的成效数量)。以xj=(x1j, x2j, …, xmj)T表示投入值,以yj=(y1j, y2j, …,yk)T示产出值,其中i=1,2,…,mj=1,2,…,s。基于输入的评价DMU总体效率的具有非阿基米德无穷小量(一个小于任何正数且大于零的数)的CCR模型如公式(8)。

      式中:xij为第j个决策单元对第i种类型投入的投入量;yrj为第j个决策单元对第r种类型产出的产出量;sr+st-分别为投入冗余和产出不足;ε为阿基米德无穷小量;λj为权重;θ为规划目标值。

      可根据DEA模型分析数据得到一些数值来对某些现象进行经济学解释。当θ=1时,且si-=sr+时,决策单元DUM为DEA有效。说明与其他被评价单元相比,该决策单元没有因多余投入而造成资源浪费;当θ=1时,且si-≠0或sr+≠0时,DMU为弱DEA有效,不是技术和规模同时有效,表明此时已接近资源配置最优状态,但还可以进步;当θ<1时,DMU为非DEA有效,生产活动既不是技术效益最佳,也不是收益效益最佳,该决策单元没有达到资源最优配置。

    • 到2015年底,除了试验风电项目外,江苏省业已建成数个规模化的海上风电场。为研究江苏省潮间带风电产业可持续发展趋势,本文选取了2012~2015年江苏省潮间带风电产业总体数据。潮间带风电产业作为新兴产业起步较晚,较传统经济数据来说可统计年限较短。为得到合理结论,采用实地调查的方式,通过江苏省海洋与渔业局的调查,获取了江苏海上龙源风力发电有限公司、响水县长江风力发电有限公司、中电大丰风力发电有限公司、国华﹙东台﹚风电有限公司、国华﹙江苏﹚风电有限公司五家主营潮间带风力发电公司的财务、建设发展、人事三方面数据,数据较传统经济普查数据更为具有地域针对性、更具有潮间带风电的数据独特性。这五家企业为江苏省海洋与渔业局所划分的重点用海企业,其旗下潮间带风电项目总数占到全省65%以上,可代表江苏省潮间带风电产业的总体发展趋势。样本数据同时结合2012~2015年《中国海洋统计年鉴》、江苏省沿海各县年鉴、能源部门发布信息、相关专家意见、社会调查问卷发放等。

    • 通过熵值法计算指标权重值如下表 3,继而利用公式(7)分别计算经营投入指标、科技创新投入指标、资源利用投入指标、经济收益指标、社会贡献能力指标和生态环境效益指标的指数值,得到如下指数结果,见表 4

      表 3  江苏省潮间带风电产业可持续发展评价指标权重

      Table 3.  Weight of evaluation index for sustainable development of intertidal wind power industry in Jiangsu province

      表 4  江苏省潮间带风电产业可持续发展评价指数

      Table 4.  Evaluation index mark exponential for the sustainable development of intertidal wind power industry in Jiangsu province

      通过表 4计算出江苏省潮间带风电产业可持续发展水平综合指数值以及准则层三项指数值(图 1)。可以看出江苏省潮间带风电产业可持续发展水平近些年来发展整体呈提升趋势,2012、2013年综合发展水平一般,分别为0.345和0.301;2014、2015年可持续发展水平较好,分别为0.53和0.605,2015年较2012年可持续发展水平综合指数增长34%。

      图  1  江苏省潮间带风电产业可持续发展水平综合指数值

      Figure 1.  Comprehensive index mark exponential of sustainable development level of intertidal wind power industry in Jiangsu province

      三项指标大体发展较为平稳,2015年较2012年经济可持续发展指数增长41%。其中2013年经济可持续发展能力出现下滑,主要原因为企业风电上网电量较2012年增幅较小,故产生的经济收益较小,2013年8月,停滞了3 a的我国首批海上风电特许权招标项目获得开工许可,故2013年经济投入增多。

      生态可持续发展能力指数2015年较2012年增长36%。生态可持续发展能力指数在2013年下降主要原因为江苏省风电场工程的布置面积过大,因风电项目用海具有排他性,挤占其他用海行业,造成了海洋空间的破碎化,且单位装机容量风机占用的海域面积仍远大于国外,海洋空间资源浪费现象明显,制约着生态可持续发展指数上涨。

      社会可持续发展能力水平指数与经济、生态可持续发展指数来说较低,可见对江苏省潮间带产业可持续发展指数上涨的贡献相对较小。说明风能的开发利用对人民群众生活的改善没有起到预计作用,在风能产业上的研发投入还有待提高。2015年较2012年指数增长26%,增长较为缓慢,主要因为潮间带风电企业在工程建设期产生大量就业岗位,工程结束后,由于风电机组自动化程度较高,主要从业人员集中在日常维护人员以及研发人员,故节省了大量人力资源。同时各企业在发展中不断提升技术革新和提高职工福利待遇,在群众中均有较好口碑,总体社会可持续发展能力呈上升态势。

      图 1可以看出江苏省潮间带风电企业的经济发展能力与生态可持续发展能力密切相关,利用数据相关性分析,相关系数达到0.88,呈高度正相关。在风电场建成初期,由于设备较新,发电量较小,现有电网不需要作大调整便可进行并网,投资成本较小,但节能减排贡献明显;随着风电企业的发展,发电量逐年递增,江苏省作为我国东南部地区电力负荷中心,电网容量比较大、结构相对合理,可极大节约电力传输成本,且风机运行维护成本较低,经济可持续发展指数上升,同时减排的贡献也随发电量增加逐年递增,故在风电场建设成本投资稳健的情况下,生态可持续发展指数随经济可持续发展指数增长而增长。可持续发展指数为经济、社会、生态三种指数之和,故与三种指数变化也密切相关。

    • 为了更加清晰的反映各个指标对江苏省潮间带风电产业发展水平的影响,需要对江苏省潮间带产业的投入产出要素作相对效率评价。将上文得到的经营投入指数、科技创新投入指数、资源利用投入指数为投入指标;经济收益指标指数、社会贡献能力指数、生态环境效益指数为产出指标,采用DEA模型,利用DEAP 2.1软件得到的结果如下结果。

      根据DEA模型,综合效率值为1即表示DEA有效。由表 5结果可以看出,2012~2015年江苏省潮间带风电产业可持续发展的平均综合效率小于1,但大于0.9,说明总体水平较高。有效年份为2014、2015年,三项指标呈现逐年递增的趋势。

      表 5  江苏省潮间带风电产业投入产出效率值

      Table 5.  Input-output efficiency of intertidal wind power industry in Jiangsu

      在DEA模型中,综合效率=技术效率×规模效率。所以综合效率也可以分解为纯技术效率和规模效率两部分,反映结构和规模两方面的效率情况。技术效率指在规模报酬不变的情况下,被评价的决策单元与生产前沿之间的距离,即江苏省风电产业可持续发展的投入产出结构是否符合可持续发展的总体要求并使可持续发展的效益最大化,其值为1说明投入产出结构合理。2014、2015年技术效率为1,说明这两年发展处在生产前沿面,并尽可能实现了资源的优化配置。而规模效率是指产业结构通过优化配置对产出单元所发生作用的大小,是由企业规模因素所影响的生产效率。2012~2015年规模效率呈总体递增趋势,即产出的增长量大于投入增长量。纵观这四年发展,规模效率均低于技术效率,说明综合效率的提高更大取决于规模效率的改善。

      2012、2013年无效的主要原因由于风电项目的大规模开发并未投产,导致部分前期投资资金还未获得产出。其次根据气象部门数据显示,2012~2013年平均风速较低,2012、2013年弃风限电形势严峻,浪费了大量的风资源,是产出不足的主要原因。外部经济环境状况和变化也对江苏省潮间带风电产业有很大影响,用海矛盾难以解决以及国家对用海政策的调整,都影响了风电产业的投入产出效率。2014、2015年随着相关政策、技术的逐步调整,诸多项目的并网投产,许多企业开始扭亏为盈,工程所带来的环境影响逐渐恢复,风力发电所带来的巨大环境效益日益突出,企业可持续发展水平较好,达到投入产出平衡状态。本阶段企业应控制好对风电项目的规模投入,避免过度开发,风电无法消纳。

    • 为了进行多方面的分析和比较,对输入指标体系进行调整,在不同输入组合的方案下进行DEA评价分析。设输入指标i=1,2,3分别表示经营投入指标、科技创新能力指标、资源利用投入指标,设计了四种输入方案,得到不同方案下的江苏省潮间带风电产业可持续发展的DEA效率值如表 6所示。

      表 6  不同方案下江苏省潮间带风电产业可持续发展的DEA效率值

      Table 6.  DEA efficiency of sustainable development of intertidal wind power industry in Jiangsu under different scenarios

      由2012~2015年的数据计算结果看,2015年的各方案中综合效率平均值最高,达到0.84,相对而言,2015年的可持续发展能力最强。

      比较方案一和二,方案二在投入指标中去掉了资源利用投入指标,说明环境因素对江苏省潮间带可持续发展水平有一定影响,可持续发展能力变低,2014、2015年的综合效率从有效变为无效。比较方案一和方案三发现,去掉科技创新能力指标后各年DEA系数变化不大,说明在保证经济投入和环境保护的前提下,科技创新投入并没有对可持续发展能力产生束缚作用,还应加强科技投入与人才吸引。比较方案四与方案一,去掉经济投入指标后,DEA综合效率值下降较大,可持续发展能力较差,说明经济投入指标对江苏省潮间带可持续发展做了相当大贡献。

    • 本文选择2012~2015年份江苏省潮间带风电产业数据对其可持续发展的综合发展水平和相对效率进行评价,利用熵值法进行综合发展水平测算;效率分析则用熵值法和数据包络分析,满足DEA模型对投入产出数据的要求。根据计算结果结合目前实际情况,江苏省潮间带风电产业整体上取得了不错的绩效。可持续发展综合效益指数2012、2013年可持续发展综合效益指数为0.345和0.301;2014、2015年可持续发展水平较好,分别为0.534和0.605,可持续发展相对有效,平均综合效率达到0.916,即较少的资源、科技和环境投入能够得到较多的经济和社会产出。

      江苏省潮间带风电产业发展建议如下:

      ① 合理确定海上风电发展规模,在综合分析各行业的用海现状及需求的基础上,选择最适宜潮间带风电发展海域,以集中区块布置为规划思路,提高风电场的平均装机密度,节约海洋空间资源。

      ② 计划进行风电项目的地区,要积极争取国家项目建设基金,争取风电产业优惠政策,通过项目的联合开发,积极引进具备先进技术和丰富经验的国外企业。

      ③ 由于电网的接纳能力不足、风电场建设工期不匹配和风电不稳定等自身特点导致的弃风限电现象相对严重。短期来看,要控制新增风电项目,制定动态有效的配额目标。从长期看,应首先考虑就地消纳,尽量挖掘当地电力市场空间。

      目前风电电价为0.61元/kw,风电企业的投入产出结果相对合理。随着全国风电规模的发展,国家将进一步下调电价,但与风力资源相对丰富的甘肃、新疆、内蒙等地区相比,沿海风电资源状况相对贫乏,要想取得长久发展,还需制定关于税收、财政等方面的鼓励政策。

参考文献 (17)

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