農村光伏新能源開發應用研究

武國兆 張鍇

摘 要：能源是實現鄉村振興乃至農業農村現代化必不可少的重要支撐。我國農業農村領域未來既有旺盛的能源需求，同時也為光伏太陽能等清潔能源的發展提供了廣闊空間。推動農村地區光伏電力資源有效利用，需要積極推進農村電網升級改造、光電及儲能技術和應用形式創新，改革需求側電價機制，加強行業政策指導。

關鍵詞：光伏發電；分布式；農光互補；需求側

能源是經濟社會發展的重要支撐。鄉村振興戰略的持續推進必然推動農村地區各類產業發展，促使農民生產生活方式和農村社會發生深刻改變，這些都需要能源的大規模投入。目前，我國城鄉融合發展取得較大進展，形成一批以浙江烏鎮、江蘇昆山、山東壽光、海南博鰲為代表的現代化新農村。但總的來看，我國農村地區極為廣闊，更多的農村地區特別是以中西部為代表的廣大農村地區經濟社會發展水平與城市之間仍然存在較大差距。要使廣闊的農村地區在未來鄉村振興中實現產業、經濟、社會的長足發展，能源需求將是巨大的。2020年，我國農村能源消費量約5.92億噸標煤，且以每年5%的速度遞增，而能源結構仍然以煤炭為主。在當前我國積極推進“雙碳”戰略背景下，既要解決最廣大地區經濟社會發展的能源需求問題，又必須擺脫傳統能源供給方式的束縛，只有在充分挖掘風、光等可再生能源潛力上下功夫，為鄉村產業乃至城市經濟社會發展提供強大動能。本文以河南省為例，就農村光伏能源開發利用相關問題進行探討。

一、河南省農村地區光電資源及其開發利用情況分析

（一）河南省光電資源分布情況

光電資源是指通過光電設備轉化為電能的光資源。這一資源量的大小，不僅與某一地區的光資源量有關，也與光資源量的轉化利用條件（包括設備、天氣等）有關。

我國光能資源豐富，但分布不均衡，呈現“西部大于東部，高原地區大于平原地區”的特點。河南位于我國中部地區，介于北緯31°23′～36°22′和東經110°21′～116°39′，大部分地處暖溫帶，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候，同時還具有自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡的特征，年均日照時數為1505.9～2230.7小時。依據河南有關氣象站觀測數據及全球氣象數據庫METEONORM、SolarGIS等數據分析，2021年河南年均水平面總輻照量1204～1400kWh/m2，雖然比全國1505kWh/m2略低，但仍屬光電資源量較豐富地區。

（二）河南省光電資源開發利用情況

近年來，在脫貧攻堅、鄉村振興、碳達峰碳中和等重大政策背景下，國家出臺了《關于實施光伏發電扶貧工作的意見》《加快農村能源轉型發展助力鄉村振興的實施意見》等一系列積極推進農村光電資源開發利用的政策，明確提出穩步推進分布式光伏發電建設，推動農村用能革新。據統計，截至2020年河南省光伏新能源裝機總量約為1300WkW，光電開發形式以集中式光伏電站和村級光伏電站居多，其中脫貧攻堅階段建設村級扶貧光伏電站約300WkW，占總量的約1/4。

（三）河南省需要積極發展農村分布式光伏電站

在全國“西電東送”能源供需大局上，河南是電力資源輸入地，而且需求量大，2019年全省供需缺口達548億kWh。在低碳減排政策背景下，要彌補相應的能源缺口，必須在清潔能源如光電資源的開發利用及跨區域調配上想辦法。我國光伏發電技術成熟度高，光電資源開發利用主要受用地政策影響。但光資源屬典型的低密度資源，收集利用須占有較大的面積，往往與城市建設、工農業生產、風景開發及保護等存在諸多爭地、爭光的矛盾。河南作為農業大省、人口大省，相關方面存在的問題尤為突出。推動相關矛盾化解，必須努力提高土地空間復合利用水平。河南農村地區土地資源豐富，道路邊坡、村居和農業生產建筑的閑置屋頂、養殖水面等都適合建設分布式光伏電站。扶貧電站建設經驗表明，這是一條既可以有效化解能源供需矛盾又能助力農民增收的有效途徑。

二、分布式光伏電站建設

（一）分布式光伏電站及其在河南的發展

分布式光伏電站是充分利用分散空間資源、在用戶附近建設、發電裝機容量較小的光伏發電系統。光伏產業化應用早期階段以分布式電站建設為主，曾經在農田灌溉、偏遠村落用電等方面發揮出重要作用，在歐美、印度、非洲等地區，光伏技術應用仍然是重要形式。我國分布式光伏電站主要分兩類，一類是應用于海島、山區、牧區等少電、無電地區的離網系統；另一類更多則是與國家電網相連接的并網系統。并網式光伏發電系統主要采取“自發自用、余電上網”的運行模式，由于規模較小、產生的電力資源有限，系統發電主要用于保障自身用電需求，剩余部分向外電網配送，并獲取相應的售電收益。一旦自身發電量不足，還可及時從外電網獲得補充。受電網政策、光伏產業發展政策影響，更多發展成為集中式光伏電站，分布式光伏電站建設相對滯后。但近年來特別是2019年以來發展勢頭迅猛，目前河南已經成為繼京津冀、廣東、山東、長三角之后分布式光伏電站增長速度最快的地區，到2021年年底河南省戶用光伏裝機達15.41萬戶，總裝機容量3.43萬kW。

（二）分布式光伏電站在農業農村領域的主要發展方向

農業農村領域是分布式光伏電站的重要應用領域，主要應用形式包括以下幾種：

農光互補。主要指在設施農業建筑上架設光伏組件，由光伏發電為農業生產提供電能。我國光伏農業始于2009年臺灣光寶集團在江西上饒建成的薄膜硅光伏農業大棚，2013年又在山東壽光建成年發電量150萬kWh的全國第一個并網發電光伏溫室示范項目。光伏農業近年來發展迅速，在光伏養殖、光伏種植等方面皆有推廣，預計未來數年內市場規模將達萬億元。另有數據表明，2018年我國設施農業發展面積189.42萬公頃，其中30%為日光溫室。農光互補的最大影響是蔬菜等作物光合與光伏發電之間的“爭光”問題，目前相關問題已經有了較為完善的解決方案。另外，河南省相當一批設施農業如食用菌栽培、畜禽養殖等對自然光的需求很小，這些產業與光伏發電之間不存在“爭光”矛盾，非常適合與光伏發電相結合。

漁光互補。漁光互補是我國于2012年首創建設的新型漁業方式（江蘇建湖），它實現了水上發電與水下養殖的結合，在獲得漁業養殖收益、光伏發電收益的同時，還具有凈化水質的作用。隨著環境改善，這一產業還表現出休閑旅游的巨大潛力，成為漁業增收的又一重要途徑。目前全國最大的浙江慈溪市周巷水庫和長河水庫“漁光互補”項目，于2017年建成，總投資18億元，利用水域面積299.47hm2，總裝機容量20萬kW，年均發電量2.2億kWh，并全部接入國家電網，每年漁業收入1300萬元、售電收入約2.4億元。

戶用光伏。戶用光伏是分布式光伏電站研究最為深入的領域，國內外絕大多數分布式電站建設管理、運行策略的研究都以此為對象，相關的組網設備研發、電路改造及集中控制等已非常配套。該類電站一般采取“自發自用、余電上網”模式運行，光伏發出的電力資源首先用來保障自身利用，包括直接供電或先行向蓄電池供電而后由蓄電池再供電等；多余電力則向外網輸送。同時，結合相應的電價政策，用戶會對自己的用電行為進行管理（即需求側管理），將一些可以延遲的用電需求調整到自身電力資源充足或外電網電價低的階段運行，可以減輕外電網在用電高峰時段的供電保障壓力，從而達到“削峰填谷”的目的，這也是分布式電站對國家電網的重要貢獻之一。目前在上海等地，戶用光伏并網“自發自用、余電上網”運行已很常見，但不少農村地區雖然建有屋頂光伏，也僅僅是提供了一塊兒建設用地而已，發電與用電并無關系。這種運行方式仍然可以為國家電網補充一部分電力資源，但沒有發揮“削峰填谷”的作用。

光伏發電與荒坡治理。在一些不適宜農作物生長、不便采取其他方式利用的荒坡上架設光伏電站，一方面可以借助光伏遮陰減少土壤水分蒸發，以利于土壤植被恢復；另一方面，借助這些地區全年晴天多、日照條件好的優勢可以多發電，再利用電能抽水灌溉，可以有效緩解干旱對周邊植被的影響。河南西部洛陽、三門峽一帶氣候干燥，部分地區存在用水困難的問題，對當地農業生產、植被恢復影響較大，可以考慮結合實際建設一些分布式光伏電站配套服務于荒坡治理的需要。

三、農村地區光電資源利用策略分析

利用農村閑置空間建設分布式光伏電站，有利于充分吸納光伏發電資源進行就地消納，緩解國家電網異地供電保障壓力，并能在支持農村地區相關產業發展、提高農民收益等方面發揮重要作用。但不同地區光伏發電資源不同、當地的實際用能需求及增長趨勢不同、周邊電網的消納吸收能力不同、空間可開發利用條件不同，這些都有可能會影響到光伏電力資源的開發程度及實際條件下的供需匹配關系，并會對整個農村地區（需求側）電網建設提出相應的要求。

（一）鼓勵自發自用

自發自用是分布式光伏電站運行最重要的基本策略。隨著農村地區產業發展、農民生活質量改善、農業現代化推進，農業農村領域用電需求會越來越大，有條件建設分布式電站的用戶實行戶內消納，一方面可以有效減少用戶對外電網的需求，另一方面可以避免多家分布電站接入電網造成網絡擁堵。

（二）促進當地消納

當地消納是分布式光伏電站運行的另一重要策略。對于單一用戶構建的光伏發電系統，可能會存在電力資源節余的問題，應及時考慮在同一社區（村組）或周邊社區的鄰居間調配。實現這一目標，一是要做好光伏資源的開發規劃。要充分考慮某一區域的開發潛力、用能需求，保證在同一社區（或周邊社區）內，總的光伏開發量與所有用戶總的需求量（本文選擇按一天計算，也可以考慮按其他時長計算）基本配平（一般而言，應保證總開發量略大于總需求量以提供必要的保障余量）。二是完善電網配置，合理增加與社區供電保障需求相適應的公共儲能設備，為光伏電力資源在社區內進行周轉調節提供技術支持。

（三）靈活組網方式

受地理位置、地形條件限制，農村地區分布式光伏電站建設可能會出現區域范圍內供需嚴重不匹配的情況。在可利用面積大而居民很少的情況下，可以考慮建設集中式光伏電站直接向外電網供電；在可利用面積小而居民用電需求大的情況下，則應考慮分解組網方式，依據分布式光伏電站的發電規模配置居民用電需求，其他更多的用電則應直接由外網提供。

四、河南省農村地區光電資源有效利用相關配套政策建議

（一）加強鄉村電網頂層設計與系統改造

電荒問題曾經是導致農村地區經濟社會發展滯后、群眾生活困難的重要原因，未來推進鄉村振興、助力實現農業現代化，必須高度重視農村電力開發和電網設施建設。要著眼長遠規劃，從頂層設計入手，在充分開展光電資源開發潛力調研基礎上，綜合考慮鄉村用電需求、清潔能源高比例滲透利用等，對傳統農村電網進行現代化改造升級，從技術與政策多方面著手，對未來一個時期農村電網建設作出統籌考慮。

（二）加大集中儲能及電力資源、空域調節技術投入

要把分布式光伏發電等新能源系統的建設放在農村電力及多種能源開發利用的突出位置，圍繞新能源有效利用、“自發自用、余電上網”、當地消納及提升用電保證率等幾個關鍵問題，在大規模儲能設備配置、風光沼氣等新型清潔能源入網調配等方面加大技術研發投入，為農村地區風光電力資源開發利用創造有利條件。

（三）加強前期設計、運行管理機制和電價調節機制建設

在現有技術條件下，積極協調拓展農村地區光伏電力資源開發利用空間，如在設施農業用地上架設光伏棚架、結合農業生產設施將光伏安裝一并納入結構化設計和空間改造等。國家應出臺相關引導性政策，在一些農業產業領域（如國家和省級農業產業園區內）推行峰谷電價機制，鼓勵引領農業農村領域分布式光伏電站的開發利用。在實際運行中，要結合光伏電站實際，合理協調電廠、電網、用戶、儲能之間利益關系，切實保證各方正當利益，保護各方發展、利用光電資源的積極性，促進就近消納。

（四）探索光電新材料新設備的適應性開發

要著眼于我國農業溫室以輕簡化結構為主的實際，主動適應農業生產需要設計創新光伏發電組件等新材料新設備，重點通過光伏板結構調整化解農光互補應用中存在的“爭光”矛盾，研發創新農光互補應用形式。

（五）堅持政策引領

結合我國“碳達峰碳中和”相關政策落地，及時研究適合本地區農業農村領域分布式光伏電站建設、應用的發展路徑，結合農村社區改造、人居環境整治、生態農場創建、產業園區建設等，設計制定與光伏發電資源利用相關的政策考核指標，督促有關管理機構和產業發展主體積極利用好光伏電力資源。

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[責任編輯：李偉杰]