农村屋顶光伏——实现低碳发展的突破口
【环保笔谈】
“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”是我国的目标承诺。而实现双碳目标，其中心任务正是以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。可以预见的是，风电、光电将是未来可再生电力系统中最主要的电源，在未来电力系统中容量将占80%以上，发电量将占60%左右。
然而，在我国大力发展风电和光电，目前尚存在难点。一是安装空间。根据测算，新增60亿千瓦的风电光电装机就需要1亿亩土地。二是有效消纳。与火电不同，风电和光电不易调控，其变化与用电需求不一致，如何协调电源与电负荷的关系，从而有效消纳其发电量，是目前风电和光电发展的关键。
反观我国广大的农村地区，能源需求旺盛，但存在较大的减碳减煤空间，亟待清洁能源转型。相关数据显示，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。将燃煤、柴油、秸秆等作为主要能源直接燃烧，也成为大气等环境污染的重要原因。结合以上两方面因素，笔者认为，在我国农村建设以屋顶光伏为基础的农村新型能源系统，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，发展以光伏发电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。
经测算，每户屋顶若安装20千瓦以上的光伏，全年发电量就可超过2万千瓦时，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和各类交通工具充电，还可剩余接近1万度电力用于农业生产和农副产品加工，剩余电力还可以在合适时段上网。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。
那么，我国到底有多少农村屋顶可以利用？根据清华大学与原国土资源部卫星信息研究所的合作调查计算，我国乡村各类屋顶可安装光伏发电装置约20亿千瓦，全年可发电量接近3万亿千瓦时，占到我国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——除能满足农村生产生活和交通用能外，还能为电网提供容量为8亿千瓦、电量为1万亿千瓦时的可调电源，有助于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。
需要强调的是，在“碳达峰碳中和”目标指引下，建设以屋顶光伏为基础的农村新型能源系统也将成为我国新型电力系统建设的突破口。能源系统低碳转型将促使我国现有电力系统产生一系列革命性变化——电源将由集中式转为集中与分布相结合；电网将由目前的单向受电转为双向有源；电力的供需关系由目前的“源随荷变”转为“荷随源变”；电网的稳定性由依赖集中电源的惯性转为依靠分布式蓄电等。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。
对于我国中东部农村地区而言，目前电力系统的建设还相对落后，农村电网增容改造正在规划和进行中。笔者认为，若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，或可减少屋顶光伏系统建设的资金压力。同时，由集中式向分布式电力系统的改造，也不会对农村的经济社会活动带来过多干扰。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的先行先试，将不会对整个电力市场形成冲击，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。
(作者：江亿、胡姗，分别系中国工程院院士、清华大学建筑节能研究中心主任，清华大学建筑节能研究中心助理研究员)