《Energy Nexus》：Viability of hybrid renewable energy systems microgrid for off-grid islands: Case for Western Visayas, Philippines
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本研究与可持续发展目标7及西维萨亚斯地区发展规划（2023-2028）保持一致，目标是通过评估53个离网岛屿的混合可再生能源系统（HRES）微电网，实现100%电气化和35%可再生能源（RE）份额。研究人员创建了一个数据库，详细记录了五个省份（安蒂克、卡皮兹、
本研究与可持续发展目标7及西维萨亚斯地区发展规划（2023-2028）保持一致，目标是通过评估53个离网岛屿的混合可再生能源系统（HRES）微电网，实现100%电气化和35%可再生能源（RE）份额。研究人员创建了一个数据库，详细记录了五个省份（安蒂克、卡皮兹、吉马拉斯、伊洛伊洛和西内格罗斯；阿克兰未发现离网岛屿）的电气化状况、峰值负荷、人口、家庭数量、负荷概况和可再生能源潜力。研究发现48个岛屿为"未服务"状态，3个为"服务不足"状态，影响约18,000户家庭，其电力接入极少或完全无电力。利用HOMER Pro?软件，研究人员评估了拟议的HRES模型——由太阳能光伏、风力涡轮机、锂离子电池和柴油发电机组成——以确定具有最低平准化电力成本（LCOE）和净现值成本（NPC）的最优系统组件规模。结果表明，太阳能光伏对所有岛屿均可行，风力涡轮机仅对安蒂克省12个岛屿中的7个可行。该模型使22个岛屿实现了35%的可再生能源目标，若在该地区所有离网岛屿部署HRES，将使该地区的可再生能源贡献率提高约0.16%，电气化率提高约0.95%。在经济上，HRES比单独使用柴油发电机更具可行性，具有更低的LCOE和NPC。然而，由于可再生能源技术的高前期投资，HRES的资本成本约为柴油方案的9倍，而燃料成本占总成本的半数以上。在财务上，较大规模的HRES项目受益于规模经济，提供更好的投资回报率（ROI）、内部收益率（IRR）和回收期。在环境方面，与柴油发电机相比，HRES的实施可减少约34-42%的二氧化碳（CO?）排放。研究得出结论，HRES是菲律宾西维萨亚斯离网岛屿在技术、经济、财务和环境方面可行的柴油发电机替代方案，为政策制定提供了关键见解，以通过可再生能源维持离网社区的电力供应。
**混合可再生能源系统微电网赋能菲律宾离网岛屿：西维萨亚斯地区技术经济与环境可行性综合评估**
**一、研究背景与意义**
全球范围内，能源贫困仍是制约社会经济发展的关键瓶颈。联合国可持续发展目标7（SDG 7）明确提出到2030年确保人人获得负担得起、可靠、可持续的现代能源。然而，国际能源署（IEA）数据表明，2022年全球无电人口不降反升，达到约7.75亿，为二十年来首次增长。菲律宾作为发展中国家，其电气化率截至2023年6月为91.1%，仍有约245万户家庭无电可用，其中约128万户位于难以接入主电网的离网地区。菲律宾拥有超过600个离网岛屿，通过主电网延伸供电成本高昂且不切实际，当前主要依赖国家电力公司-小型电力用户集团（NPC-SPUG）运营的柴油发电机供电。然而，柴油运输困难导致电力成本高昂、供应不稳定且不可持续，与国家清洁能源转型目标和SDG 7严重冲突。同时，针对离网岛屿电气化的政策支持不足，包括缺乏定制化监管政策、项目审批流程冗长、中小企业激励不足、地方政府与电力合作社协调不力等，进一步加剧了该问题的严峻性。
西维萨亚斯地区作为菲律宾典型离网岛屿聚集区，面临煤炭依赖、清洁能源转型不足和频繁停电等能源挑战。为此，西维萨亚斯地区发展规划（WV-RDP, 2023-2028）明确将可再生能源（RE）部署于离网岛屿作为优先事项，设定到2028年实现100%电气化和35%可再生能源占比的目标，与国家战略全面电气化计划（STEP）和国家可再生能源计划（NREP）相衔接。然而，该地区53个离网岛屿中，48个（90%）仍处于"未服务"状态，仅3个属"服务不足"，2个为"服务正常"，约有75%的离网岛屿人口无法获得24小时电力供应。在此背景下，探索兼顾技术、经济、财务与环境效益的电气化替代方案，对于实现区域发展目标、保障能源公平具有迫切的现实意义。混合可再生能源系统（HRES）被认为是最具潜力的解决方案之一，其通过整合可再生能源技术以减少柴油依赖，利用储能系统平抑可再生能源间歇性，并在可再生能源出力不足时由常规发电机补充，为离网岛屿提供稳定、经济的电力供应。
**二、研究内容与技术方法**
本研究旨在评估HRES微电网在菲律宾西维萨亚斯地区53个离网岛屿的全面可行性。研究人员利用HOMER Pro?微电网优化软件，为每个岛屿构建包含太阳能光伏（PV）、风力涡轮机、锂离子电池和柴油发电机的混合能源系统模型，以最小平准化电力成本（LCOE）和净现值成本（NPC）为目标函数进行模拟优化，并系统评估其技术、经济、财务与环境可行性。
本研究采用的主要关键技术方法包括：（1）负荷特征构建：基于NPC-SPUG 2023年数据、已发表文献及地理信息系统（GIS）人口密度数据，建立各岛屿归一化24/7小时负荷曲线并估算峰值负荷；其中人口数据来源于菲律宾统计局（PSA）或Facebook?高分辨率人口密度地图，峰值负荷估算参考Castro等及相关学者建立的回归模型（比例常数0.039465 kW/人）。（2）资源潜力评估：利用Phil-LIDAR 2数据集的月度平均全球水平辐照度（GHI）和风速数据，刻画各岛屿太阳能和风能资源禀赋。（3）系统优化：基于组件技术经济参数和项目经济约束条件，运用HOMER Pro?进行仿真优化，比较柴油发电机单独供电（基准方案）与HRES（最低成本方案）的各项指标。（4）多维可行性评估：将优化输出参数归类为技术、经济、财务与环境四个维度进行综合评判；其中环境评估遵循美国环保署（EPA）40 CFR Part 1039 Tier 4排放标准。研究样本涵盖西维萨亚斯地区五个省份（安蒂克、卡皮兹、吉马拉斯、伊洛伊洛、西内格罗斯）的53个离网岛屿。
**三、主要研究结果**
**3.1 技术可行性评估**
在系统架构方面，优化结果表明太阳能光伏对所有岛屿均具有技术可行性，且其最优容量与峰值负荷呈现强线性关系（决定系数R2=0.9938），高峰值负荷岛屿通常伴随高年均GHI，其中12个岛屿（伊洛伊洛9个、安蒂克3个）峰值负荷超过100 kW，太阳能光伏需求约240-1500 kW，适合作为菲律宾政府家庭电气化计划（HEP）的重点目标。风力涡轮机仅在安蒂克省12个岛屿中的7个技术上可行，这归因于该地区年均风速达6.57 m/s，能够满足风力发电机的切入风速要求（2.7-3.6 m/s）；其中Caluya岛因高峰值负荷需配置21台10 kW涡轮机，而其他岛屿因风速不足不具备安装条件。锂离子电池在所有岛屿均具技术可行性，所需1 kWh电池组串数与峰值负荷在200 kW以内呈正比关系。柴油发电机作为备用电源，其容量与峰值负荷呈强线性关系（R2=0.9994），Caluya、Batbatan和Gigantes Norte等岛屿因已有足够柴油发电能力而无需新增。此外，所有岛屿均应采用联合调度策略（combined dispatch）以优化运行经济性。
在可再生能源份额与电气化贡献方面，优化结果显示22/53个岛屿（约41.50%）达到或超过35%可再生能源占比目标，其中安蒂克省平均RE份额最高（约46%），伊洛伊洛省最低（约31%）。区域HRES部署预计产生8.344 GWh可再生能源电力，使国家RE占比从28.65%提升至28.81%（约+0.16%），距35%国家目标更近一步；同时可为约18,231户家庭提供电力，解决区域内24.96%的未电气化家庭需求，使国家电气化率提高约0.95%。
在燃料消耗方面，与柴油发电机基准方案相比，最低成本HRES方案在各峰值负荷区间内显著降低燃料消耗约34%-42%，其中51-100 kW和100-1000 kW高峰值负荷区间降幅最大，体现规模经济效应。生物柴油（B2）掺混比例预期于2026年提升至5%，将带来每年额外1%的燃料削减。
**3.2 经济可行性评估**
经济上，HRES最低成本方案在各峰值负荷区间均实现显著更低的LCOE，降幅为12.88%-19.06%。安蒂克省平均LCOE最低（0.378 USD/kWh），伊洛伊洛省次之（0.399 USD/kWh），卡皮兹省最高（0.425 USD/kWh）。LCOE随峰值负荷增加而下降，从0-10 kW区间的0.423 USD/kWh降至100-1000 kW区间的0.359 USD/kWh，呈现明显规模经济效应。同样，NPC降幅为15.5%-18.5%，长期混合发电经济效益凸显。然而，HRES资本成本约为柴油方案的9倍（安蒂克省高达27倍），主要源于可再生能源技术的高前期投入。尽管如此，燃料成本占HRES全生命周期总成本的一半以上（>50%），资本成本约占20%以上，更换与运维成本各占约10%。因此，降低燃料消耗是HRES经济优势的核心驱动因素。
**3.3 财务可行性评估**
财务上，大规模项目（>50 kW）因规模经济效应展现出最优的投资吸引力。内部收益率（IRR）随峰值负荷增加而上升，100-1000 kW区间达17.00%，高于离网项目典型10-15%的基准值，且所有IRR均高于8%的折现率。回收期方面，简单回收期（SPP）和折现回收期（DPP）的平均值均短于项目寿命（20年）的一半，其中大规模项目回收期更短，吉马拉斯省和卡皮兹省财务表现最优。此外，菲律宾《可再生能源法》（RA 9513）为可再生能源项目提供7年所得税免税期，这将进一步将SPP缩短至7年以内，增强项目对私营投资者的吸引力。
**3.4 环境可行性评估**
环境上，HRES最低成本方案相比柴油基准方案可实现CO?排放减少约34%-42%（每年9,000-410,000 kg）。排放构成中，CO?约占总排放的99%。对照美国EPA 40 CFR Part 1039标准：采用最低成本方案时，53个岛屿全部满足CO和PM排放标准（基准方案分别仅19和16个岛屿达标）；氮氧化物（NOx）排放方面，36/53个岛屿达标，与基准方案持平。值得注意的是，若以最低CO?排放为优化目标，可实现约86%-100%的减排，但LCOE将显著增加约10-20倍，在经济上对私营投资者缺乏吸引力。因此，平衡经济、财务与环境目标至关重要。
**四、讨论与结论**
研究讨论部分聚焦政策启示。HRES部署与WV-RDP（2023-2028）和国家可持续发展目标高度契合，但需解决若干制度性瓶颈：其一，安蒂克省资本成本高达基准方案27倍，表明资源禀赋优越地区需要加速折旧、资本补贴等定向监管支持；其二，岛屿容量差异极大（从Yato岛的2.25 kW到Caluya岛的697.16 kW），现有偏向大型开发商的招标程序将边缘化小型社区，需建立分层的微电网容量招标框架；其三，小型微电网（0-10 kW）IRR较低，表明中小企业激励不足，应出台基于发电量的绩效奖励或差异化上网电价补贴；其四，HRES多组件布局对空间规划与市政许可提出挑战，需在省级层面设立技术支持单位以弥合地方政府与电力合作社之间的协调鸿沟。
研究结论明确指出：HRES在技术、经济、财务和环境四个维度上均是西维萨亚斯地区离网岛屿柴油发电机的可行替代方案。技术上，太阳能光伏全岛屿可行，风能补充特定资源富集区域；经济上，LCOE与NPC显著降低，尽管前期资本投入较高；财务上，IRR与回收期对投资者具吸引力，规模越大优势越明显；环境上，CO?减排34%-42%，且满足美国EPA CO与PM排放标准。约41.50%的岛屿可实现国家35%可再生能源目标，区域RE份额提升0.16%，电气化率提高0.95%，预计可为约18,000户家庭供电，有力支撑西维萨亚斯地区2028年100%电气化与35%可再生能源目标的实现。研究为政策制定者提供了基于实证的决策依据，以推动离网社区通过可再生能源实现可持续电力供应。
