Charlie Dou,左 沖,賈 彥,4*,姜 露,鄭麗娜
(1. 世界資源研究所(美國(guó))北京代表處,北京 100027;2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,呼和浩特 010051;3. 云南日林新能源開(kāi)發(fā)有限公司,昆明 650041;4. 風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)省部共建教育部實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010051;5. 內(nèi)蒙古綠能新能源有限責(zé)任公司,呼和浩特 010010)
截至2018年底,中國(guó)大陸農(nóng)村人口占全國(guó)人口的比例為40.4%,農(nóng)村家庭戶數(shù)占全國(guó)家庭戶數(shù)的比例為37.8%。2020年第7次全國(guó)人口普查的數(shù)據(jù)表明:中國(guó)大陸農(nóng)村人口占全國(guó)人口的比例略有下降,為36.11%,但依然超過(guò)了1/3。隨著脫貧和鄉(xiāng)村振興,農(nóng)村能源消費(fèi)量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。但由于農(nóng)村能源多以煤炭等不可再生的化石能源為主,且農(nóng)村的能源消費(fèi)具有粗放和分散的特點(diǎn),使其成為溫室氣體(greenhouse gas,GHG)排放的重要來(lái)源之一,2021年農(nóng)村能源消費(fèi)的溫室氣體排放量約占全國(guó)溫室氣體排放總量的15%[1]。另一方面,農(nóng)村社區(qū)有充足的開(kāi)放空間,適合發(fā)展可再生能源的應(yīng)用,尤其是在確保耕地紅線的前提下,農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電建設(shè)具有巨大潛力,通過(guò)分布式清潔能源技術(shù)和農(nóng)村用能方式的轉(zhuǎn)變,可助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和(即“雙碳”目標(biāo))。然而許多關(guān)于能源轉(zhuǎn)型的預(yù)測(cè)分析都未給予農(nóng)村社區(qū)足夠的關(guān)注。
基于此,本文通過(guò)分析中國(guó)大陸農(nóng)村人口、家庭戶數(shù)及能源消費(fèi)的基本情況,從各具特色的農(nóng)村民居出發(fā),歸納出中國(guó)農(nóng)村民居屋頂?shù)闹饕?lèi)型,推算出農(nóng)村民居屋頂面積的基本量;并以此作為基礎(chǔ),分析了影響農(nóng)村民居安裝屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的諸多因素;然后再基于不同的情景,預(yù)測(cè)中國(guó)農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電的裝機(jī)容量潛力和發(fā)電量,以及由此帶來(lái)的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益,從而說(shuō)明發(fā)展農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電可以促進(jìn)農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型和助推鄉(xiāng)村振興。本文數(shù)據(jù)和分析僅針對(duì)中國(guó)大陸地區(qū)的農(nóng)村人口、家庭的基本情況和潛在的農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電的發(fā)展前景。
中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以化石能源為主。2020年中國(guó)一次能源消費(fèi)共計(jì) 145 EJ[2](1 EJ=1018J=23.8846百萬(wàn)噸油當(dāng)量),其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 2020年中國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)[2]Fig. 1 China’s primary energy consumption mix in 2020[2]
從圖1可以看出:一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,煤炭消費(fèi)為82 EJ,占比高達(dá)57%;雖然近年來(lái)包括水資源在內(nèi)的可再生能源消費(fèi)占比迅速上升,但也僅占13.6%;非水可再生能源(如風(fēng)能、太陽(yáng)能等)消費(fèi)僅占5.4%,其中,風(fēng)能消費(fèi)占2.8%,太陽(yáng)能消費(fèi)占1.6%,其他可再生能源(包括生物質(zhì)能和地?zé)崮?僅占約0.9%[2]。
根據(jù)2021年國(guó)家統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù),中國(guó)大陸農(nóng)村常住人口達(dá)4.98億人,農(nóng)村商品能源消費(fèi)僅占全國(guó)能源消費(fèi)總量的9%,農(nóng)村的全口徑能源消費(fèi)占全國(guó)能源消費(fèi)總量的15%[3]。
2018年,中國(guó)大陸城鎮(zhèn)常住人口為8.31億人,農(nóng)村常住人口為5.64億人,城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诘谋戎?城鎮(zhèn)化率)為59.6%;家庭總戶數(shù)為4.5億戶,城鎮(zhèn)家庭、農(nóng)村家庭戶數(shù)分別為2.8億和1.7億戶[4]。2018年中國(guó)大陸城鄉(xiāng)人口和家庭分布情況如圖2所示。
圖2 2018年中國(guó)大陸城鄉(xiāng)人口和家庭分布情況Fig. 2 Distribution of urban and rural population and household in Chinese mainland in 2018
國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的第7次全國(guó)人口普查公報(bào)[5]顯示:截至2020年11月1日零時(shí),中國(guó)總?cè)丝跒?4.43億人,其中,大陸人口為14.12億人。大陸人口中,城鎮(zhèn)人口為9.02億人,占總?cè)丝诘谋戎?城鎮(zhèn)化率)為63.9%;農(nóng)村人口為5.10億人,占總?cè)丝诘谋戎貫?6.1%;城鎮(zhèn)人口的比重上升了14.21個(gè)百分點(diǎn)。家庭總戶數(shù)為4.94億戶,但是公報(bào)未公布城鎮(zhèn)家庭和農(nóng)村家庭的具體戶數(shù)。2020年中國(guó)大陸城鄉(xiāng)人口分布情況如圖3所示。
圖3 2020年中國(guó)大陸城鄉(xiāng)人口分布情況Fig. 3 Distribution of urban and rural population in Chinese mainland in 2020
用已知的全國(guó)家庭數(shù)據(jù)可以推算出當(dāng)前年的家庭戶數(shù)情況。假設(shè)已知家庭數(shù)據(jù)的起始年為R0、終止年為R1,R0與R1的時(shí)間間隔年數(shù)為m,則可推算R0與R1間的農(nóng)村家庭戶數(shù)對(duì)城鎮(zhèn)家庭戶數(shù)比率的年復(fù)合變化率RCAG,其計(jì)算式為:
根據(jù)文獻(xiàn)[4]所提供的2010—2018年中國(guó)城鎮(zhèn)和農(nóng)村家庭戶數(shù),可知R0=2010,R1=2018,m=8,代入式(1),可計(jì)算得到2010—2018年的年復(fù)合變化率為-4.1%,即2010年農(nóng)村家庭戶數(shù)約為城鎮(zhèn)家庭戶數(shù)的84.8%,農(nóng)村家庭戶數(shù)隨著時(shí)間推移在減少,其與城鎮(zhèn)家庭戶數(shù)的比率在下降。到2018年,農(nóng)村家庭戶數(shù)對(duì)城鎮(zhèn)家庭戶數(shù)的比率降為60.7%。
根據(jù)這一趨勢(shì),可估算出目標(biāo)年農(nóng)村家庭戶數(shù)對(duì)城鎮(zhèn)家庭戶數(shù)的比率P2,其計(jì)算式為:
式中:P1為基礎(chǔ)年農(nóng)村家庭戶數(shù)對(duì)城鎮(zhèn)家庭戶數(shù)的比率,基礎(chǔ)年選擇2018年,取60.7%。
基礎(chǔ)年選擇2018年,目標(biāo)年選擇2020年,則根據(jù)式(2),可計(jì)算得到2020年農(nóng)村家庭戶數(shù)對(duì)城鎮(zhèn)家庭戶數(shù)的比率為55.8%。按這一比率,可得到在第7次全國(guó)人口普查公報(bào)公布[5]的4.94億戶家庭中,城鎮(zhèn)家庭戶數(shù)約為3.17億戶,農(nóng)村家庭戶數(shù)約為1.77億戶。2020年中國(guó)大陸城鄉(xiāng)家庭分布情況如圖4所示。
圖4 2020年中國(guó)大陸城鄉(xiāng)家庭分布情況Fig. 4 Distribution of urban and rural households in Chinese mainland in 2020
在“雙碳”背景下,能源革命是中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)變革的重要方向,其目標(biāo)是以可再生能源取代化石能源。根據(jù)世界資源研究所(WRI)的數(shù)據(jù)[6],截至2017年底,農(nóng)業(yè)活動(dòng)的溫室氣體排放量占全球總排放量的11.8%。農(nóng)業(yè)是最易遭受氣候變化影響的產(chǎn)業(yè),其減排路徑面臨更加復(fù)雜的挑戰(zhàn),而這種挑戰(zhàn)在老少邊窮及欠發(fā)達(dá)地區(qū)更為嚴(yán)峻。中國(guó)的能源革命,選擇化石能源基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的農(nóng)村入手,代價(jià)更小,且可以將能源革命、生態(tài)文明建設(shè)和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略融為一體,一舉多得。
農(nóng)村能源利用的特點(diǎn)是布局分散和規(guī)模較小,特別適合分布式可再生能源的發(fā)展。隨著中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)降本增效的持續(xù)推進(jìn),光伏發(fā)電的平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)不斷向下突破,2022年國(guó)家補(bǔ)貼全面退坡,戶用光伏發(fā)電進(jìn)入平價(jià)時(shí)代。根據(jù)《中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》,2021年,戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本為3.2~3.3元/W[7]。
根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)的研究報(bào)告[8-9],2011—2019年間,全球屋頂分布式光伏發(fā)電(含工商業(yè)和民居屋頂)裝機(jī)容量占全球分布式光伏發(fā)電裝機(jī)容量的比例為92.1%,占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位。根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù),納入2021年國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼的當(dāng)年新增戶用光伏發(fā)電項(xiàng)目的裝機(jī)容量為21.6 GW,達(dá)到歷史新高,占中國(guó)全年新增分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目裝機(jī)容量的39%以上[10]。戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本下降,為在農(nóng)村大量發(fā)展分布式光伏發(fā)電提供了極大的經(jīng)濟(jì)可行性,在嚴(yán)守耕地紅線的背景下,農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電是適合在農(nóng)村發(fā)展的可再生能源利用方式。
中國(guó)56個(gè)民族的民居都各具特色,即使是同一民族,各地區(qū)的民居也因自然條件和文化習(xí)俗的區(qū)別而有所不同。中國(guó)具有典型民族特色的民居如圖5所示。
圖5 中國(guó)具有典型民族特色的民居Fig. 5 Residential dwellings with typical ethnic characteristics in China
民居屋頂?shù)臉邮胶皖伾S民居風(fēng)格而變化,比如藏式民居的平屋頂,徽派民居屋頂?shù)镊焱?、馬頭墻,嶺南民居屋頂?shù)挠采巾?、懸山頂、攢尖頂?shù)?。但根?jù)屋頂?shù)幕窘Y(jié)構(gòu),中國(guó)民居屋頂可以分為4類(lèi)[11],分別為平屋頂、坡屋頂、曲面屋頂、多波式折板屋頂,具體如圖6所示。屋頂是發(fā)展農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電的最基本的物理基礎(chǔ),中國(guó)農(nóng)村民居的屋頂以平屋頂和坡屋頂最為常見(jiàn)。
圖6 中國(guó)民居屋頂?shù)幕绢?lèi)型Fig. 6 Basic types of residential dwellings rooftop in China
當(dāng)前,分布式光伏發(fā)電的主要應(yīng)用方式是建設(shè)屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。預(yù)測(cè)屋頂分布式光伏發(fā)電發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ê芏啵梢酝ㄟ^(guò)直接法或間接法進(jìn)行評(píng)估測(cè)算。直接法主要是通過(guò)科學(xué)技術(shù)手段直接獲取各類(lèi)資源的分布情況,同步考慮其他影響開(kāi)發(fā)的實(shí)際因素,從而估算屋頂分布式光伏發(fā)電的裝機(jī)容量潛力;間接法則是從需求出發(fā),利用一個(gè)國(guó)家的宏觀社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況來(lái)估算分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用前景[12]。筆者認(rèn)為,有效建筑物屋頂是建設(shè)農(nóng)村分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的物理基礎(chǔ),因此本文采用直接法,通過(guò)估算有效建筑物的可利用屋頂面積來(lái)評(píng)估屋頂分布式光伏發(fā)電在中國(guó)農(nóng)村民居的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
影響中國(guó)農(nóng)村民居安裝屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要因素有7個(gè),分別為農(nóng)村民居屋頂?shù)幕拘问?、屋頂大小、屋頂?qiáng)度、陰影、坡屋頂平面的傾斜度、屋頂平面的方位角、屋頂面積的可利用性。下文進(jìn)行詳細(xì)分析。
中國(guó)農(nóng)村民居的屋頂形式多種多樣,但大部分為平屋頂和坡屋頂,也有少量復(fù)雜形狀的屋頂,比如黃土高原窯洞的屋頂,這類(lèi)屋頂無(wú)適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的平面。因此,在預(yù)估農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電應(yīng)用時(shí)這類(lèi)屋頂需要去除。
對(duì)于平屋頂,女兒墻的陰影會(huì)對(duì)屋頂面積的利用率產(chǎn)生較大的影響,因此,此類(lèi)屋頂通常要減去受陰影影響的屋頂面積。
安裝屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)需要屋頂至少有1個(gè)連續(xù)平面,從項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益來(lái)考慮,居民屋頂?shù)乃酵队懊娣e應(yīng)大于等于10 m2,假設(shè)光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率為20%,10 m2的屋頂面積足夠安裝約2 kW的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。
屋頂?shù)膹?qiáng)度應(yīng)有足夠的承受力,能承受光伏組件的重量及抗壓,例如風(fēng)壓和雪壓等。通常,光伏組件及其配套設(shè)備的重量約為15~20 kg/m2[13],屋頂?shù)膹?qiáng)度應(yīng)能承載光伏組件、光伏支架、線纜這部分重量及其他荷載。
要排除屋頂周?chē)鞣N物體及其他建筑對(duì)屋頂平面可能產(chǎn)生的陰影。陰影不僅會(huì)減少分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率,甚至還會(huì)導(dǎo)致光伏組件產(chǎn)生熱斑效應(yīng),當(dāng)熱斑效應(yīng)達(dá)到一定程度時(shí),會(huì)導(dǎo)致整個(gè)光伏組件失效或報(bào)廢。因此,要從全年太陽(yáng)運(yùn)行的位置來(lái)分析陰影對(duì)屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)潛在安裝位置的影響,剔除受陰影影響不適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積。
坡屋頂平面的傾斜度對(duì)于確定其對(duì)光伏組件的適用性和發(fā)電量非常重要。通常認(rèn)為,傾斜度超過(guò)40° 的屋頂屬于過(guò)于陡峭[13],傾斜度大于60° 的屋頂則完全不需要考慮[14]。
民居屋頂平面的方位角(即屋頂?shù)某?可以分成9類(lèi):
1)當(dāng)屋頂平面傾斜度小于9.5° 時(shí),將該屋頂視為平屋頂,不考慮其方位角朝向;
2)將屋頂平面傾斜度大于等于9.5° 的屋頂平面按每45° 為1個(gè)方位,共分成8個(gè)方位。
民居屋頂?shù)姆轿唤欠诸?lèi)如圖7所示,所有面向西北方向到東北方向(即圖7中292.5°~67.5°)范圍內(nèi)的屋頂平面都不適合建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),可將其排除在外[14]。
圖7 民居屋頂?shù)姆轿唤欠诸?lèi)Fig. 7 Classification of azimuth angle of residential dwellings rooftop
在充分考慮了上述各影響因素后的屋頂基本可以認(rèn)為是能夠安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效建筑物屋頂,但是還需要考慮屋頂面積的可利用性,即剔除屋頂上任何已經(jīng)存在的其他物件(比如電梯塔樓、空調(diào)室外機(jī)、太陽(yáng)能熱水器等)所占用的面積及由其產(chǎn)生的陰影面積后剩余的面積。
一些建筑的屋頂不適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),比如:建筑使用壽命已經(jīng)超過(guò)25年的磚混結(jié)構(gòu)建筑,或剩余的屋頂使用壽命明顯短于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)使用壽命的建筑;屋面平臺(tái)年久失修存在滲漏等結(jié)構(gòu)性安全風(fēng)險(xiǎn)的建筑;屋面或周邊存在大量粉塵、火災(zāi)危險(xiǎn)和腐蝕氣體的建筑;房屋產(chǎn)權(quán)非本人的建筑;違章建筑、臨時(shí)建筑、廢棄建筑和政府已下發(fā)拆遷計(jì)劃的區(qū)域內(nèi)的建筑等。上述建筑均不適合建設(shè)屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。
農(nóng)村民居都屬于小型建筑。根據(jù)上述各項(xiàng)影響因素的判斷,美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)通過(guò)對(duì)小型建筑屋頂?shù)目衫们闆r進(jìn)行研究,得出以下分析結(jié)論[14]:
1) 83%的小型建筑具備適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的位置,但只有26%的小型建筑屋頂總面積適合開(kāi)發(fā)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng);
2)具備適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的平屋頂?shù)男⌒徒ㄖ?shù)量不到1/4。
為進(jìn)一步分析可利用屋頂面積建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量,根據(jù)實(shí)踐做如下假設(shè):
1)對(duì)于平屋頂而言,假設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所占面積與可利用屋頂面積的比率為0.7,即朝南安裝的光伏組件因自身前后排陰影遮擋造成的輸出功率損失不超過(guò)2.5%時(shí)的前后排光伏組件間距;
2)對(duì)于坡屋頂而言,假設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)所占面積與可利用屋頂面積的比率為0.98,用于反映光伏組件之間設(shè)置光伏支架夾具等的空間。
按前文的推算,2020年中國(guó)農(nóng)村家庭戶數(shù)為1.77億戶,按照農(nóng)村民居每戶的平均占地面積為120 m2計(jì)算[15],農(nóng)村民居的總占地面積為212.4億m2。由于農(nóng)村民居的占地面積基本相當(dāng)于建筑物屋頂?shù)耐队懊娣e,因此,在光伏發(fā)電用地日趨緊張的背景下,這是一筆相當(dāng)可觀的發(fā)展屋頂分布式光伏發(fā)電的資產(chǎn)。
由于歷史、經(jīng)濟(jì)、氣候和文化傳統(tǒng)等原因,中國(guó)農(nóng)村民居相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)村民居,在屋頂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面,有較多的屋頂不足以支撐屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝,例如苗族的吊腳樓、黎族的“布隆亭竿”和傣族的竹樓等,導(dǎo)致不適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的農(nóng)村民居的比例較大;另外,有一些屋頂能供分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝的可利用面積不夠大,也不適宜安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。
綜上,以中國(guó)農(nóng)村民居的屋頂總面積A0為212.4億m2為基礎(chǔ),估算適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積。預(yù)計(jì)農(nóng)村民居的閑置率U為25%[15];在考慮上述各影響因素后,設(shè)定基本情景下適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積占農(nóng)村民居屋頂總面積的比例Rb為10%,積極情景下適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積占農(nóng)村民居屋頂總面積的比例Ra為20%(小于美國(guó)的26%),且其中平屋頂面積占農(nóng)村民居屋頂總面積的比例rf為25%,坡屋頂面積占農(nóng)村民居屋頂總面積的比例rp為75%。
估算基本情景下適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積的計(jì)算式為:
式中:Af為適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的平屋頂面積,億m2;Ap為適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的坡屋頂?shù)耐队懊娣e,億m2。
同理,將式(3)和式(4)中的Rb值改為積極情景下的Ra值(20%),則可估算得到積極情景下適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的屋頂面積。
1)基本情景的分析。根據(jù)式(3)、式(4)可計(jì)算得到:在基本情景下,適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的平屋頂面積約為4.25億m2;適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的坡屋頂?shù)耐队懊娣e約為12.74 億 m2。
假設(shè)平均的坡屋頂平面的傾斜度α為30°[16],則適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的坡屋頂?shù)膶?shí)際面積Ap,r的計(jì)算式為:
根據(jù)式(5)可計(jì)算得到:適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的坡屋頂?shù)膶?shí)際面積約為14.72億m2。
合計(jì)可利用屋頂面積A的計(jì)算式為:
式中:i為屋頂類(lèi)型,表示平屋頂或坡屋頂;Ai為i類(lèi)屋頂實(shí)際面積,即平屋頂為Af,坡屋頂為Ap,r;Ri,e為i類(lèi)屋頂面積的利用率。
設(shè)定平屋頂面積的利用率Rf,e為70%,坡屋頂面積的利用率Rp,e為98%。則基本情景下適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的可利用屋頂面積Ab為 17.41 億 m2。
按照每千瓦分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的占用面積為5 m2(間距在估算屋頂可利用面積時(shí)已考慮)計(jì)算,則在基本情景下,中國(guó)農(nóng)村民居的屋頂總面積可以安裝約348 GW的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。
2)積極情景的分析。與前文基本情景的分析同理,可得到在積極情景下,適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的平屋頂面積約為8.50億m2;適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的坡屋頂?shù)膶?shí)際面積約為29.43億m2。采用與基本情景相同的平屋頂面積利用率和坡屋頂面積利用率,則可計(jì)算得到積極情景下適合安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的可利用屋頂面積Aa為34.79億m2,可以安裝約為696 GW的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。
針對(duì)上述計(jì)算結(jié)果,需要說(shuō)明的是:
1)本文是按照光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率為20%,每千瓦分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的占用面積為5 m2進(jìn)行的估算,如果光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高,則每千瓦分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的占用面積將進(jìn)一步減少,最終計(jì)算得到的中國(guó)農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體裝機(jī)容量將增加。采用不同光電轉(zhuǎn)換效率的光伏組件時(shí),每千瓦分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的占用面積對(duì)應(yīng)的總裝機(jī)容量如圖8所示。圖中:綠色區(qū)域上邊曲線代表積極情景,下邊曲線代表基本情景。
圖8 采用不同光電轉(zhuǎn)換效率的光伏組件時(shí),每千瓦分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的占用面積對(duì)應(yīng)的總裝機(jī)容量Fig. 8 When PV modules with different photoelectric conversion efficiency are used,total installed capacity corresponding to occupied area of per kilowatt distributed PV power generation system
2)農(nóng)村家庭戶數(shù)是一個(gè)動(dòng)態(tài)量,一方面中國(guó)的城鎮(zhèn)化率將繼續(xù)提升,農(nóng)村家庭戶數(shù)將會(huì)減少;另一方面,隨著農(nóng)村住宅的進(jìn)一步改造,戶均住宅面積和可利用屋頂面積也會(huì)隨之增加,中國(guó)農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體裝機(jī)容量將進(jìn)一步增加。
3)本文討論的是發(fā)展農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電的物理基礎(chǔ),即有效建筑物屋頂?shù)目衫梦蓓斆娣e和裝機(jī)容量潛力,未討論在農(nóng)戶庭院內(nèi)的裝機(jī)容量潛力,也未對(duì)影響當(dāng)?shù)匚蓓敺植际焦夥l(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的其他諸多因素進(jìn)行討論,例如當(dāng)?shù)貙?shí)際的太陽(yáng)能資源和電網(wǎng)接入情況等。
云南省昆明市祿勸彝族苗族自治縣是一個(gè)以彝族、苗族為主的自治縣,馬鹿塘鄉(xiāng)普德村位于縣境北部,是昆明市海拔最高的鄉(xiāng)鎮(zhèn),曾經(jīng)是“邊”、“民”、“窮”特點(diǎn)突出的鄉(xiāng)鎮(zhèn)之一,山高地少,沒(méi)有支柱產(chǎn)業(yè),缺乏收入,而經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)的落后又進(jìn)一步加劇了當(dāng)?shù)氐呢毨С潭?,低收入抑制了?dāng)?shù)鼐用竦挠秒娏浚y以滿足生產(chǎn)生活需求。在昆明市科學(xué)技術(shù)局的支持下,以整村推進(jìn)的方式在村民住宅的屋頂上建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),并建設(shè)了一系列“光伏+”工程(例如:“光伏+畜牧業(yè)”“光伏+公共服務(wù)”“光伏+農(nóng)業(yè)設(shè)施”等),以增加村民收入,實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。
根據(jù)村民意愿、住宅安裝條件,以及每戶用電需求,該項(xiàng)目為普德村中的99戶住宅安裝了屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。每戶的屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量為3.52 kW,整個(gè)項(xiàng)目的總裝機(jī)容量達(dá)到348.48 kW。由于每戶住宅的屋頂布局不同,因地制宜,屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用了不同的安裝形式,具體如圖9所示。其中:圖9a的屋頂無(wú)平臺(tái),且坡屋頂朝向東、西,因此只能選擇在戶外空地上安裝分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng);圖9b的屋頂只有很小的平臺(tái),基本可滿足系統(tǒng)的安裝;圖9c的平臺(tái)面積約有30~40 m2,系統(tǒng)約占平臺(tái)面積的1/2;圖9d的平臺(tái)面積更大,系統(tǒng)約占平臺(tái)面積的1/3;圖9e的屋頂有很大的平臺(tái),且有上下兩個(gè)平臺(tái)(即3樓平臺(tái)上的建筑屋頂也是平臺(tái)),合計(jì)面積超過(guò)100 m2,系統(tǒng)安裝在兩個(gè)平臺(tái)中較高的平臺(tái)上,約占上平臺(tái)面積的1/2,可供兩戶使用。
圖9 普德村項(xiàng)目中不同屋頂布局對(duì)應(yīng)的屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝形式Fig. 9 Installation form of rooftop distributed grid-connected PV power generation system corresponding to different rooftop layouts in Pude Village project
按照每戶屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量3.52 kW計(jì)算,則系統(tǒng)平均占用的屋頂面積約為16 m2,每戶住宅的平均投影面積約為110 m2,則安裝屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的面積占屋頂面積的14.5%(介于本文假設(shè)的基本情景10%和積極情景20%的中間)。
普德村項(xiàng)目為整村屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)提供了應(yīng)用示范。
內(nèi)蒙古自治區(qū)的太陽(yáng)能資源極為豐富,在該地區(qū)建設(shè)光伏電站,特別是在部分貧困地區(qū)利用光伏扶貧,將是有陽(yáng)光就有收益的可持續(xù)發(fā)展項(xiàng)目。
2018年,在內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁區(qū)大林鎮(zhèn)大山屯村建設(shè)了兩個(gè)屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),其中一個(gè)為平屋頂,另一個(gè)為坡屋頂,裝機(jī)容量均為5.3 kW;兩個(gè)屋頂均無(wú)遮擋物,所以可最大限度地利用屋頂面積,安裝的屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)約占平屋頂面積的70%,約占坡屋頂面積的45%,并于2018年7月13日全部并網(wǎng)發(fā)電。
同年,在大林鎮(zhèn)烏斯土村的某戶民居的坡屋頂安裝了與大山屯村同樣的5.3 kW屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),均安裝在坡屋頂南面向陽(yáng)的坡面,系統(tǒng)約占坡屋頂面積的40%,并于同年11月并網(wǎng)發(fā)電。該系統(tǒng)不僅能保證用戶基本生產(chǎn)生活的用電需求,同時(shí)在光照充足的時(shí)間段能夠余電上網(wǎng)并獲得收益,極大改善了農(nóng)民的生產(chǎn)生活用電情況,同時(shí)產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益。
大林鎮(zhèn)不同屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝情況如圖10所示。
圖10 大林鎮(zhèn)不同屋頂分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝情況Fig. 10 Installation of different rooftop distributed gridconnected PV power generation systems in Dalin Town
中國(guó)幅員遼闊,各地的太陽(yáng)能資源并不相同,單位光伏發(fā)電系統(tǒng)日發(fā)電量最低值為2.24 kWh/kWp,最高值可達(dá)5.75 kWh/kWp,全國(guó)平均值為 3.88 kWh/kWp[17]。按這一全國(guó)平均值進(jìn)行估算,基本情景下光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量可達(dá)492690 GWh,而積極情景下光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電量可達(dá)985380 GWh。
據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)顯示[18],2019年中國(guó)農(nóng)村用電量為948300 GWh[19],若將潛力充分發(fā)揮,農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電可貢獻(xiàn)農(nóng)村用電量的52%~104%,并能產(chǎn)生相當(dāng)可觀的環(huán)境效益,具體如表1所示,1 kWh光伏發(fā)電可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 302.5 g[20],并減排二氧化碳 832.0 g,以及減少其他溫室氣體如二氧化硫、氮氧化物和碳粉塵的排放[21]。
表1 中國(guó)農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的年環(huán)境效益預(yù)測(cè)Table 1 Prediction of annual environmental benefits of rooftop distributed PV power generation system of rural residential dwellings in China
若農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式,按照各地的激勵(lì)政策,還能給農(nóng)民帶來(lái)可觀的收入。農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電的收益主要來(lái)自3個(gè)方面:
1)補(bǔ)貼。來(lái)自國(guó)家、省/自治區(qū)和市級(jí)的補(bǔ)貼(各地區(qū)略有不同)。
2)節(jié)省的電費(fèi)。系統(tǒng)所發(fā)電量自發(fā)自用,用戶不用交電費(fèi),節(jié)約開(kāi)支等于增加收入。
3)賣(mài)電賺錢(qián)。系統(tǒng)所發(fā)電量除自用外,余電上網(wǎng),價(jià)格按照當(dāng)?shù)厝济好摿驒C(jī)組標(biāo)桿電價(jià)(各地區(qū)電價(jià)有所不同)計(jì)算。
本文在推算出中國(guó)農(nóng)村民居屋頂面積基本量的基礎(chǔ)上,詳細(xì)分析了影響農(nóng)村民居建設(shè)屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的各類(lèi)因素,然后分別針對(duì)基本情景和積極情景,對(duì)中國(guó)農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電的裝機(jī)容量潛力和發(fā)電量進(jìn)行了預(yù)測(cè),并分析預(yù)測(cè)了由此帶來(lái)的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益,由此說(shuō)明發(fā)展農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電可以促進(jìn)農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型和助推鄉(xiāng)村振興。分析結(jié)果表明:基本情景下,中國(guó)農(nóng)村民居屋頂分布式光伏發(fā)電的裝機(jī)容量潛力為348 GW;積極情景下,裝機(jī)容量潛力為696 GW。