“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”是我國的目標承諾。而實現(xiàn)雙碳目標，其中心任務正是以可再生電力為基礎的零碳能源替代目前以化石能源為基礎的碳基能源。可以預見的是，風電、光電將是未來可再生電力系統(tǒng)中最主要的電源，在未來電力系統(tǒng)中容量將占80%以上，發(fā)電量將占60%左右。
然而，在我國大力發(fā)展風電和光電，目前尚存在難點。一是安裝空間。根據(jù)測算，新增60億千瓦的風電光電裝機就需要1億畝土地。二是有效消納。與火電不同，風電和光電不易調控，其變化與用電需求不一致，如何協(xié)調電源與電負荷的關系，從而有效消納其發(fā)電量，是目前風電和光電發(fā)展的關鍵。
反觀我國廣大的農村地區(qū)，能源需求旺盛，但存在較大的減碳減煤空間，亟待清潔能源轉型。相關數(shù)據(jù)顯示，2019年我國農村散煤用量約1.4億噸，占全國非工業(yè)散煤的90%以上，是減煤減碳的重點之一。將燃煤、柴油、秸稈等作為主要能源直接燃燒，也成為大氣等環(huán)境污染的重要原因。結合以上兩方面因素，筆者認為，在我國農村建設以屋頂光伏為基礎的農村新型能源系統(tǒng)，將可能成為破解風電光電發(fā)展困境、助力農村經(jīng)濟社會發(fā)展的一條有效路徑。
什么是基于屋頂光伏的農村新型能源系統(tǒng)？即在自然條件適合的地區(qū)，充分利用各家農戶的閑置屋頂空間，發(fā)展以光伏發(fā)電為核心的新型直流微網(wǎng)，為農村生產(chǎn)生活全面提供能源。同時，可將剩余電力及加工成型或氣化的生物質能源向城市輸出，成為產(chǎn)糧區(qū)新的經(jīng)濟來源。
經(jīng)測算，每戶屋頂若安裝20千瓦以上的光伏，全年發(fā)電量就可超過2萬千瓦時，可滿足一戶包括冬季采暖（50平方米主要房間采暖）和炊事在內的全部生活用電和各類交通工具充電，還可剩余接近1萬度電力用于農業(yè)生產(chǎn)和農副產(chǎn)品加工，剩余電力還可以在合適時段上網(wǎng)。此外，通過建設村級直流微網(wǎng)和公用蓄電池，還可實現(xiàn)戶間電量的相互流通和補充。農村各類帶有蓄電能力的用電裝置和多數(shù)負載可按照需求響應用電的模式，從而使屋頂光伏電力的大部分有效消納，剩余部分經(jīng)過村級直流微網(wǎng)的整合后上網(wǎng)，也轉變成可調可控的優(yōu)質電源。
在這樣的模式下，農村新型能源系統(tǒng)將實現(xiàn)生產(chǎn)生活和交通用能的全面電氣化，農村大氣環(huán)境有望徹底改觀。從建設成本上看，上述配置包括村級公共部分，每戶折合投資10萬元左右，公共用電和上網(wǎng)送電的全年收入除支付運維管理費外，還可實現(xiàn)全部初投資的分期還本付息，從而使農戶戶用電全部免費。同時，通過銀行低息貸款就可以解決工程投資來源的問題。
那么，我國到底有多少農村屋頂可以利用？根據(jù)清華大學與原國土資源部衛(wèi)星信息研究所的合作調查計算，我國鄉(xiāng)村各類屋頂可安裝光伏發(fā)電裝置約20億千瓦，全年可發(fā)電量接近3萬億千瓦時，占到我國2019年全年總用電量的40%，更將達到規(guī)劃中的我國零碳電力系統(tǒng)中光伏發(fā)電總量的60%。未來，隨著城鎮(zhèn)化進程的推進，我國農村人口可能會有所下降，但農村建筑及屋頂?shù)囊?guī)模并不會減少，可安裝光伏的規(guī)模也會穩(wěn)定在這一水平。
由此可見，農村屋頂光伏無論在電量供應還是容量調節(jié)上，都可對未來的零碳電力系統(tǒng)起到重要作用——除能滿足農村生產(chǎn)生活和交通用能外，還能為電網(wǎng)提供容量為8億千瓦、電量為1萬億千瓦時的可調電源，有助于實現(xiàn)電力系統(tǒng)的靈活和穩(wěn)定。因此，盡早盡快發(fā)展以農村屋頂光伏為基礎的新型能源系統(tǒng)，不僅有利于鄉(xiāng)村振興，也對我國構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)、盡早實現(xiàn)電力零碳具有至關重要的作用。
需要強調的是，在“碳達峰碳中和”目標指引下，建設以屋頂光伏為基礎的農村新型能源系統(tǒng)也將成為我國新型電力系統(tǒng)建設的突破口。能源系統(tǒng)低碳轉型將促使我國現(xiàn)有電力系統(tǒng)產(chǎn)生一系列革命性變化——電源將由集中式轉為集中與分布相結合；電網(wǎng)將由目前的單向受電轉為雙向有源；電力的供需關系由目前的“源隨荷變”轉為“荷隨源變”；電網(wǎng)的穩(wěn)定性由依賴集中電源的慣性轉為依靠分布式蓄電等。這些變化既關乎基礎研究和技術研發(fā)，又涉及電力政策、定價機制的調整，更需要用電方式的適應和新用電文化的建立。在保證用電安全、社會穩(wěn)定和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的前提下完成新型電力系統(tǒng)建設，將是一場有待深入探索的電力技術與用電文化的革命。
對于我國中東部農村地區(qū)而言，目前電力系統(tǒng)的建設還相對落后，農村電網(wǎng)增容改造正在規(guī)劃和進行中。筆者認為，若按照以屋頂光伏為基礎的模式重新規(guī)劃這些地區(qū)的電力系統(tǒng)，將增容改造資金用來投入這一新方式的改造，或可減少屋頂光伏系統(tǒng)建設的資金壓力。同時，由集中式向分布式電力系統(tǒng)的改造，也不會對農村的經(jīng)濟社會活動帶來過多干擾。而由于農村地區(qū)電力市場僅占我國電力市場的很小比例，與新型電力系統(tǒng)相呼應的電力政策與機制的改革在農村的先行先試，將不會對整個電力市場形成沖擊，因此在該地區(qū)進行探索試點將可能為后續(xù)電力系統(tǒng)的改革提供可參考的借鑒。
如此，以屋頂光伏為基礎的農村新能源系統(tǒng)建設，或將是我國建設新型電力系統(tǒng)的突破口。這既是建設社會主義新農村、實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要組成部分，也有望成為實現(xiàn)我國低碳發(fā)展、完成電力系統(tǒng)革命可邁出的第一步。
作者：江億、胡姍（分別系中國工程院院士、清華大學建筑節(jié)能研究中心主任，清華大學建筑節(jié)能研究中心助理研究員）
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