江亿院士：发展农村屋顶光伏，将实现农民生产生活全面电气化

我国实现双碳目标的中心任务是由可再生电力为基础的零碳能源替代目前以化石能源为基础的碳基能源系统。风电光电将是未来可再生电力系统中最主要的电源，将在未来电力系统中的容量占80%以上，发电量占60%左右。

大力发展风电光电的最大困难，第一是安装空间，每平米可安装的风电光电为100W，新增80亿kW的风电光电装机就需要1亿亩以上的土地；第二是有效消纳，风电光电不可调控，其变化与用电需求不一致，如何协调电源与电负荷的关系从而有效消纳是目前风电光电发展的关键。

另一方面，我国农村问题仍是实现强国之梦要面对和解决的重要问题之一。与能源和碳排放相关的问题有：第一，2019年我国农村散煤用量约1.4亿吨，占全国非工业散煤的90%以上，是减煤减碳的重点之一；第二，“煤改气”、“煤改电”、清洁取暖等政策在北方大力推进，国家和社会投入近千亿的巨大资金，但在农村地区的可持续性仍存疑，在多数场合这一改动增加了农民的用能负担，这就存在着返煤的风险；第三，农村燃煤、柴油、秸秆等作为主要能源（燃煤和秸秆直接低效燃烧，柴油驱动农机），形成严重大气污染，导致很多地区农村空气质量低于城区，燃煤灰渣与各种其它垃圾混掺在一起，正迅速成为包围了村落的垃圾墙，蓝天和绿水青山已经不在。这样，我国农村虽然脱离了绝对贫困，但目前城乡巨大差别仍是实现现代化强国必须破解的难题之一。

面对上述问题，在农村发展基于屋顶光伏的新型能源系统，将可能成为破解风电光电发展困境、助力农村经济社会发展的一条有效路径。

什么是基于屋顶光伏的农村新型能源系统

即在自然条件适合的地区，充分利用各家农户的闲置屋顶空间，发展以屋顶光伏为核心的新型直流微网，为农村生产生活全面提供能源。同时，可将剩余电力及加工成型或气化的生物质能源向城市输出，成为产粮区新的经济来源。

如下图所示，以屋顶光伏为基础的直流微网包括：由屋顶光伏、直流用电末端、家用智能充电桩及蓄电池组成的家庭单元；由这些家庭单元以及公共建筑和零散空地的光伏、公用智能充电桩、农业生产机具、农产品加工设备、公用蓄电池等组成的村级直流微网。

家庭单元包括：每户屋顶安装20kWp以上的光伏，户内改为直流配电，连接各类电器、3~5kWh蓄电池，家用直流充电桩等。家用电器包括照明、电视电脑，也包括电炊具、电热水器及电采暖装置。这些装置经简单改造都可以实现直流化。依靠20kWp的光伏电力，每户全年发电量超过2万kWh，可满足一户包括冬季采暖（50平方米主要房间采暖）和炊事在内的全部生活用电、各类交通工具充电，在春夏秋季还可剩余接近1万kWh电力用于村内农业生产和农副产品生产加工用能，剩余还可以发电上网。

此外，通过建设村级直流微网和公用蓄电池，还可实现户间电量的相互流通和补充。农村各类带有蓄电能力的用电装置和多数负载可按照需求响应用电的模式，从而使屋顶光伏电力的大部分有效消纳，剩余部分经过村级直流微网的整合后上网，也转变成可调可控的优质电源。

在这样的模式下，农村新型能源系统将实现生产生活和交通用能的全面电气化，农村大气环境有望彻底改观。从建设成本上看，上述配置包括村级公共部分，每户折合投资10万元左右，公共用电和上网送电的全年收入除支付运维管理费外，还可实现全部初投资的分期还本付息，从而使农户户用电全部免费。同时，通过银行低息贷款就可以解决工程投资来源的问题。

农村屋顶光伏在我国新型电力系统中的作用

根据清华大学与原国土资源部卫星信息研究所合作调查计算，保守估计我国乡村各类屋顶可安装光伏约20亿kW，全年可发电量接近3万亿kWh，占我国2019年全年总用电量的40%，更将达到规划中的我国零碳电力系统中光伏发电总量的60%。未来，随着城镇化进程的推进，我国农村人口可能会有所下降，但农村建筑及屋顶的规模并不会减少，可安装光伏的规模也会稳定在这一水平。

由此可见，农村屋顶光伏无论在电量供应还是容量调节上，都可对未来的零碳电力系统起到重要作用：除满足了农村生产生活和交通用能外，还为电网提供约8亿kW、1万亿kWh的可调电源。它使得水电、火电这些宝贵的调峰容量资源和核电这一宝贵的维持基荷的电源资源所面对的需要调节的风电光电容量大大减少，从而可摆脱缺乏可调容量的困境，实现电力系统的灵活和稳定。

因此，尽早尽快发展以农村屋顶光伏为基础的新型能源系统，不仅有利于乡村振兴，也对我国构建以新能源为主体的新型电力系统、尽早实现电力零碳具有至关重要的作用。

农村新型能源系统建设是新型电力系统建设的突破口

建立新型的电力系统，将使现有电力系统产生革命性变化：

① 电源将由集中式电源转为集中与分布相结合的电源；

② 电网将由目前的单向授电电网转为双向有源电网；

③ 系统的稳定性将由依靠电源侧的转动惯量和同步容量转为较多地依靠负载侧的分布式蓄电；

④ 供电的可靠性则由目前的依赖冗余备用转为依赖分布式电源和蓄电；

⑤ 电力的供需关系由目前的“源随荷变”转为“荷随源变”；

⑥ 电力成本也由目前不同时段的2~3倍之差转变为不同时段之间5倍以上的差别。

这些变化既关乎基础研究和技术研发，又涉及电力政策、定价机制的调整，更需要用电方式的适应和新用电文化的建立。在保证用电安全、社会稳定和经济持续发展的前提下完成新型电力系统建设，将是一场有待深入探索的电力技术与用电文化的革命。

若在我国东部的中心城市开始尝试新型电力系统的建设，就要全面改造目前的电力系统，在改造过程中保证供电的安全性和稳定性将是很大的挑战；同时，这些地区作为主要的用电大户，电力政策和价格机制的调整也会对电力的供销双方带来巨大影响。这些都会在一定程度上影响这些地区的安全供电，从而影响到当地的社会和经济活动。所以，新型电力系统的革命很难从东部中心城市开始尝试。而我国西部地区属于目前的火电和未来的可再生电力的主要生产地区，而新型电力系统的革命同时要涉及发电侧和负荷侧，没有需求侧响应的用电方式的呼应，电源侧也很难实现火电向风电光电的全面转换。因此，在承担重要的“西电东送”任务的西部，也很难率先进行电力革命的探索。

而对于我国中东部农村地区，目前电力系统的建设还相对落后，准备巨大投入的农村电网增容改造正在规划和进行中。按照以屋顶光伏为基础的模式重新规划这些地区的电力系统，将增容改造资金用来投入这一新方式的改造，可减少屋顶光伏系统建设的资金压力；由集中式向分布式电力系统的改造，也不会对农村的社会和经济活动带来太大的干扰；而由于农村地区电力市场仅占我国电力市场的很小比例，与新型电力系统相呼应的电力政策与机制的改革在农村先行先试，将不会对整个电力市场形成太大的冲击，因此在该地区进行探索试点将可能为后续电力系统的改革提供可参考的借鉴。

如此，以屋顶光伏为基础的农村新能源系统的建设，或将是我国建设新型电力系统的突破口。这既是建设社会主义新农村、实施乡村振兴战略的重要组成部分，也有望成为实现我国低碳发展、完成电力系统革命可迈出的第一步。

来源：国际能源研究中心

作者系中国工程院院士 江亿