“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(biāo)承諾。而實現(xiàn)雙碳目標(biāo)，其中心任務(wù)正是以可再生電力為基礎(chǔ)的零碳能源替代目前以化石能源為基礎(chǔ)的碳基能源。可以預(yù)見的是，風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電和光電不易調(diào)控，其變化與用電需求不一致，如何協(xié)調(diào)電源與電負(fù)荷的關(guān)系，從而有效消納其發(fā)電量，是目前風(fēng)電和光電發(fā)展的關(guān)鍵。
反觀我國廣大的農(nóng)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(zhuǎn)型。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2019年我國農(nóng)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(jié)合以上兩方面因素，筆者認(rèn)為，在我國農(nóng)村建設(shè)以屋頂光伏為基礎(chǔ)的農(nóng)村新型能源系統(tǒng)，將可能成為破解風(fēng)電光電發(fā)展困境、助力農(nóng)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(nóng)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(nóng)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(nóng)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(zhì)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(nèi)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)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(shè)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(nóng)村各類帶有蓄電能力的用電裝置和多數(shù)負(fù)載可按照需求響應(yīng)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(zhuǎn)變成可調(diào)可控的優(yōu)質(zhì)電源。
在這樣的模式下，農(nóng)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(nóng)村大氣環(huán)境有望徹底改觀。從建設(shè)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(nóng)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(nóng)村屋頂可以利用？根據(jù)清華大學(xué)與原國土資源部衛(wèi)星信息研究所的合作調(diào)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(nóng)村人口可能會有所下降，但農(nóng)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(nóng)村屋頂光伏無論在電量供應(yīng)還是容量調(diào)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(nóng)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(diào)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(nóng)村屋頂光伏為基礎(chǔ)的新型能源系統(tǒng)，不僅有利于鄉(xiāng)村振興，也對我國構(gòu)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(guān)重要的作用。
需要強調(diào)的是，在“碳達峰碳中和”目標(biāo)指引下，建設(shè)以屋頂光伏為基礎(chǔ)的農(nóng)村新型能源系統(tǒng)也將成為我國新型電力系統(tǒng)建設(shè)的突破口。能源系統(tǒng)低碳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為集中與分布相結(jié)合；電網(wǎng)將由目前的單向受電轉(zhuǎn)為雙向有源；電力的供需關(guān)系由目前的“源隨荷變”轉(zhuǎn)為“荷隨源變”；電網(wǎng)的穩(wěn)定性由依賴集中電源的慣性轉(zhuǎn)為依靠分布式蓄電等。這些變化既關(guān)乎基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)，又涉及電力政策、定價機制的調(diào)整，更需要用電方式的適應(yīng)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(shè)，將是一場有待深入探索的電力技術(shù)與用電文化的革命。
對于我國中東部農(nóng)村地區(qū)而言，目前電力系統(tǒng)的建設(shè)還相對落后，農(nóng)村電網(wǎng)增容改造正在規(guī)劃和進行中。筆者認(rèn)為，若按照以屋頂光伏為基礎(chǔ)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(shè)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(nóng)村的經(jīng)濟社會活動帶來過多干擾。而由于農(nóng)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(yīng)的電力政策與機制的改革在農(nóng)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(chǔ)的農(nóng)村新能源系統(tǒng)建設(shè)，或?qū)⑹俏覈ㄔO(shè)新型電力系統(tǒng)的突破口。這既是建設(shè)社會主義新農(nóng)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(xué)建筑節(jié)能研究中心主任，清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心助理研究員）
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