中国农村民居屋顶分布式光伏发电的发展潜力分析_凯发k8官网
家庭屋顶光伏发电
截至2018年底，中国大陆农村人口占全国人口的比例为40.4%，农村家庭户数占全国家庭户数的比例为37.8%。2020年第7次全国人口普查的数据表明：中国大陆农村人口占全国人口的比例略有下降，为36.11%，但依然超过了1/3。随着脱贫和乡村振兴，农村能源消费量呈增长趋势。但由于农村能源多以煤炭等不可再生的化石能源为主，且农村的能源消费具有粗放和分散的特点，使其成为温室气体(greenhouse gas，GHG)排放的重要来源之一，2021年农村能源消费的温室气体排放量约占全国温室气体排放总量的15%[1]。另一方面，农村社区有充足的开放空间，适合发展可再生能源的应用，尤其是在确保耕地红线的前提下，农村民居屋顶分布式光伏发电建设具有巨大潜力，通过分布式清洁能源技术和农村用能方式的转变，可助力实现碳达峰和碳中和(即“双碳”目标)。然而许多关于能源转型的预测分析都未给予农村社区足够的关注。
基于此，本文通过分析中国大陆农村人口、家庭户数及能源消费的基本情况，从各具特色的农村民居出发，归纳出中国农村民居屋顶的主要类型，推算出农村民居屋顶面积的基本量；并以此作为基础，分析了影响农村民居安装屋顶分布式光伏发电系统的诸多因素；然后再基于不同的情景，预测中国农村民居屋顶分布式光伏发电的装机容量潜力和发电量，以及由此带来的环境效益和经济效益，从而说明发展农村民居屋顶分布式光伏发电可以促进农村能源转型和助推乡村振兴。本文数据和分析仅针对中国大陆地区的农村人口、家庭的基本情况和潜在的农村民居屋顶分布式光伏发电的发展前景。
中国的能源结构以化石能源为主。2020年中国一次能源消费共计 145 EJ[2](1 EJ=1018J=23.8846百万吨油当量)，其结构如图1所示。
从图1可以看出：一次能源消费结构中，煤炭消费为82 EJ，占比高达57%；虽然近年来包括水资源在内的可再生能源消费占比迅速上升，但也仅占13.6%；非水可再生能源(如风能、太阳能等)消费仅占5.4%，其中，风能消费占2.8%，太阳能消费占1.6%，其他可再生能源(包括生物质能和地热能)仅占约0.9%[2]。
根据2021年国家统计年鉴的数据，中国大陆农村常住人口达4.98亿人，农村商品能源消费仅占全国能源消费总量的9%，农村的全口径能源消费占全国能源消费总量的15%[3]。
2018年，中国大陆城镇常住人口为8.31亿人，农村常住人口为5.64亿人，城镇人口占总人口的比重(城镇化率)为59.6%；家庭总户数为4.5亿户，城镇家庭、农村家庭户数分别为2.8亿和1.7亿户[4]。2018年中国大陆城乡人口和家庭分布情况如图2所示。
国家统计局公布的第7次全国人口普查公报[5]显示：截至2020年11月1日零时，中国总人口为14.43亿人，其中，大陆人口为14.12亿人。大陆人口中，城镇人口为9.02亿人，占总人口的比重(城镇化率)为63.9%；农村人口为5.10亿人，占总人口的比重为36.1%；城镇人口的比重上升了14.21个百分点。家庭总户数为4.94亿户，但是公报未公布城镇家庭和农村家庭的具体户数。2020年中国大陆城乡人口分布情况如图3所示。
用已知的全国家庭数据可以推算出当前年的家庭户数情况。假设已知家庭数据的起始年为R0、终止年为R1，R0与R1的时间间隔年数为m，则可推算R0与R1间的农村家庭户数对城镇家庭户数比率的年复合变化率RCAG，其计算式为：
根据文献[4]所提供的2010—2018年中国城镇和农村家庭户数，可知R0=2010，R1=2018，m=8，代入式(1)，可计算得到2010—2018年的年复合变化率为-4.1%，即2010年农村家庭户数约为城镇家庭户数的84.8%，农村家庭户数随着时间推移在减少，其与城镇家庭户数的比率在下降。到2018年，农村家庭户数对城镇家庭户数的比率降为60.7%。
基础年选择2018年，目标年选择2020年，则根据式(2)，可计算得到2020年农村家庭户数对城镇家庭户数的比率为55.8%。按这一比率，可得到在第7次全国人口普查公报公布[5]的4.94亿户家庭中，城镇家庭户数约为3.17亿户，农村家庭户数约为1.77亿户。2020年中国大陆城乡家庭分布情况如图4所示。
在“双碳”背景下，能源革命是中国经济社会变革的重要方向，其目标是以可再生能源取代化石能源。根据世界资源研究所(WRI)的数据[6]，截至2017年底，农业活动的温室气体排放量占全球总排放量的11.8%。农业是最易遭受气候变化影响的产业，其减排路径面临更加复杂的挑战，而这种挑战在老少边穷及欠发达地区更为严峻。中国的能源革命，选择化石能源基础设施薄弱的农村入手，代价更小，且可以将能源革命、生态文明建设和乡村振兴战略融为一体，一举多得。
农村能源利用的特点是布局分散和规模较小，特别适合分布式可再生能源的发展。随着中国光伏产业降本增效的持续推进，光伏发电的平准化度电成本(LCOE)不断向下突破，2022年国家补贴全面退坡，户用光伏发电进入平价时代。根据《中国光伏产业发展路线年，户用光伏发电系统的成本为3.2～3.3元/W[7]。
根据国际能源署(IEA)的研究报告[8-9]，2011—2019年间，全球屋顶分布式光伏发电(含工商业和民居屋顶)装机容量占全球分布式光伏发电装机容量的比例为92.1%，占据绝对的主导地位。根据国家能源局发布的数据，纳入2021年国家财政补贴的当年新增户用光伏发电项目的装机容量为21.6 GW，达到历史新高，占中国全年新增分布式光伏发电项目装机容量的39%以上[10]。户用光伏发电系统的成本下降，为在农村大量发展分布式光伏发电提供了极大的经济可行性，在严守耕地红线的背景下，农村民居屋顶分布式光伏发电是适合在农村发展的可再生能源利用方式。
中国56个民族的民居都各具特色，即使是同一民族，各地区的民居也因自然条件和文化习俗的区别而有所不同。中国具有典型民族特色的民居如图5所示。
民居屋顶的样式和颜色随民居风格而变化，比如藏式民居的平屋顶，徽派民居屋顶的黛瓦、马头墙，岭南民居屋顶的硬山顶、悬山顶、攒尖顶等。但根据屋顶的基本结构，中国民居屋顶可以分为4类[11]，分别为平屋顶、坡屋顶、曲面屋顶、多波式折板屋顶，具体如图6所示。屋顶是发展农村民居屋顶分布式光伏发电的最基本的物理基础，中国农村民居的屋顶以平屋顶和坡屋顶最为常见。
当前，分布式光伏发电的主要应用方式是建设屋顶分布式光伏发电系统。预测屋顶分布式光伏发电发展潜力的方法很多，可以通过直接法或间接法进行评估测算。直接法主要是通过科学技术手段直接获取各类资源的分布情况，同步考虑其他影响开发的实际因素，从而估算屋顶分布式光伏发电的装机容量潜力；间接法则是从需求出发，利用一个国家的宏观社会经济发展情况来估算分布式光伏发电的应用前景[12]。笔者认为，有效建筑物屋顶是建设农村分布式光伏发电系统的物理基础，因此本文采用直接法，通过估算有效建筑物的可利用屋顶面积来评估屋顶分布式光伏发电在中国农村民居的发展潜力。
影响中国农村民居安装屋顶分布式光伏发电系统的主要因素有7个，分别为农村民居屋顶的基本形式、屋顶大小、屋顶强度、阴影、坡屋顶平面的倾斜度、屋顶平面的方位角、屋顶面积的可利用性。下文进行详细分析。
中国农村民居的屋顶形式多种多样，但大部分为平屋顶和坡屋顶，也有少量复杂形状的屋顶，比如黄土高原窑洞的屋顶，这类屋顶无适合安装分布式光伏发电系统的平面。因此，在预估农村民居屋顶分布式光伏发电应用时这类屋顶需要去除。
对于平屋顶，女儿墙的阴影会对屋顶面积的利用率产生较大的影响，因此，此类屋顶通常要减去受阴影影响的屋顶面积。
安装屋顶分布式光伏发电系统需要屋顶至少有1个连续平面，从项目的经济效益来考虑，居民屋顶的水平投影面积应大于等于10 m2，假设光伏组件的光电转换效率为20%，10 m2的屋顶面积足够安装约2 kW的分布式光伏发电系统。
屋顶的强度应有足够的承受力，能承受光伏组件的重量及抗压，例如风压和雪压等。通常，光伏组件及其配套设备的重量约为15～20 kg/m2[13]，屋顶的强度应能承载光伏组件、光伏支架、线缆这部分重量及其他荷载。
要排除屋顶周围各种物体及其他建筑对屋顶平面可能产生的阴影。阴影不仅会减少分布式光伏发电系统的输出功率，甚至还会导致光伏组件产生热斑效应，当热斑效应达到一定程度时，会导致整个光伏组件失效或报废。因此，要从全年太阳运行的位置来分析阴影对屋顶分布式光伏发电系统潜在安装位置的影响，剔除受阴影影响不适合安装分布式光伏发电系统的屋顶面积。
坡屋顶平面的倾斜度对于确定其对光伏组件的适用性和发电量非常重要。通常认为，倾斜度超过40° 的屋顶属于过于陡峭[13]，倾斜度大于60° 的屋顶则完全不需要考虑[14]。
民居屋顶的方位角分类如图7所示，所有面向西北方向到东北方向(即图7中292.5°～67.5°)范围内的屋顶平面都不适合建设分布式光伏发电系统，可将其排除在外[14]。
在充分考虑了上述各影响因素后的屋顶基本可以认为是能够安装分布式光伏发电系统的有效建筑物屋顶，但是还需要考虑屋顶面积的可利用性，即剔除屋顶上任何已经存在的其他物件(比如电梯塔楼、空调室外机、太阳能热水器等)所占用的面积及由其产生的阴影面积后剩余的面积。
一些建筑的屋顶不适合安装分布式光伏发电系统，比如：建筑使用寿命已经超过25年的砖混结构建筑，或剩余的屋顶使用寿命明显短于分布式光伏发电系统使用寿命的建筑；屋面平台年久失修存在渗漏等结构性安全风险的建筑；屋面或周边存在大量粉尘、火灾危险和腐蚀气体的建筑；房屋产权非本人的建筑；违章建筑、临时建筑、废弃建筑和政府已下发拆迁计划的区域内的建筑等。上述建筑均不适合建设屋顶分布式光伏发电系统。
农村民居都属于小型建筑。根据上述各项影响因素的判断，美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)通过对小型建筑屋顶的可利用情况进行研究，得出以下分析结论[14]：
1) 83%的小型建筑具备适合安装分布式光伏发电系统的位置，但只有26%的小型建筑屋顶总面积适合开发分布式光伏发电系统；
1)对于平屋顶而言，假设分布式光伏发电系统所占面积与可利用屋顶面积的比率为0.7，即朝南安装的光伏组件因自身前后排阴影遮挡造成的输出功率损失不超过2.5%时的前后排光伏组件间距；
2)对于坡屋顶而言，假设分布式光伏发电系统所占面积与可利用屋顶面积的比率为0.98，用于反映光伏组件之间设置光伏支架夹具等的空间。
按前文的推算，2020年中国农村家庭户数为1.77亿户，按照农村民居每户的平均占地面积为120 m2计算[15]，农村民居的总占地面积为212.4亿m2。由于农村民居的占地面积基本相当于建筑物屋顶的投影面积，因此，在光伏发电用地日趋紧张的背景下，这是一笔相当可观的发展屋顶分布式光伏发电的资产。
由于历史、经济、气候和文化传统等原因，中国农村民居相对于发达国家的农村民居，在屋顶结构强度方面，有较多的屋顶不足以支撑屋顶分布式光伏发电系统的安装，例如苗族的吊脚楼、黎族的“布隆亭竿”和傣族的竹楼等，导致不适合安装分布式光伏发电系统的农村民居的比例较大；另外，有一些屋顶能供分布式光伏发电系统安装的可利用面积不够大，也不适宜安装分布式光伏发电系统。
综上，以中国农村民居的屋顶总面积A0为212.4亿m2为基础，估算适合安装分布式光伏发电系统的屋顶面积。预计农村民居的闲置率U为25%[15]；在考虑上述各影响因素后，设定基本情景下适合安装分布式光伏发电系统的屋顶面积占农村民居屋顶总面积的比例Rb为10%，积极情景下适合安装分布式光伏发电系统的屋顶面积占农村民居屋顶总面积的比例Ra为20%(小于美国的26%)，且其中平屋顶面积占农村民居屋顶总面积的比例rf为25%，坡屋顶面积占农村民居屋顶总面积的比例rp为75%。
式中：Af为适合安装分布式光伏发电系统的平屋顶面积，亿m2；Ap为适合安装分布式光伏发电系统的坡屋顶的投影面积，亿m2。
同理，将式(3)和式(4)中的Rb值改为积极情景下的Ra值(20%)，则可估算得到积极情景下适合安装分布式光伏发电系统的屋顶面积。
1)基本情景的分析。根据式(3)、式(4)可计算得到：在基本情景下，适合安装分布式光伏发电系统的平屋顶面积约为4.25亿m2；适合安装分布式光伏发电系统的坡屋顶的投影面积约为12.74 亿 m2。
假设平均的坡屋顶平面的倾斜度α为30°[16]，则适合安装分布式光伏发电系统的坡屋顶的实际面积Ap,r的计算式为：
式中：i为屋顶类型，表示平屋顶或坡屋顶；Ai为i类屋顶实际面积，即平屋顶为Af，坡屋顶为Ap,r；Ri,e为i类屋顶面积的利用率。
设定平屋顶面积的利用率Rf,e为70%，坡屋顶面积的利用率Rp,e为98%。则基本情景下适合安装分布式光伏发电系统的可利用屋顶面积Ab为 17.41 亿 m2。
按照每千瓦分布式光伏发电系统的占用面积为5 m2(间距在估算屋顶可利用面积时已考虑)计算，则在基本情景下，中国农村民居的屋顶总面积可以安装约348 GW的分布式光伏发电系统。
2)积极情景的分析。与前文基本情景的分析同理，可得到在积极情景下，适合安装分布式光伏发电系统的平屋顶面积约为8.50亿m2；适合安装分布式光伏发电系统的坡屋顶的实际面积约为29.43亿m2。采用与基本情景相同的平屋顶面积利用率和坡屋顶面积利用率，则可计算得到积极情景下适合安装分布式光伏发电系统的可利用屋顶面积Aa为34.79亿m2，可以安装约为696 GW的分布式光伏发电系统。
1)本文是按照光伏组件的光电转换效率为20%，每千瓦分布式光伏发电系统的占用面积为5 m2进行的估算，如果光伏组件的光电转换效率进一步提高，则每千瓦分布式光伏发电系统的占用面积将进一步减少，最终计算得到的中国农村民居屋顶分布式光伏发电系统的总体装机容量将增加。采用不同光电转换效率的光伏组件时，每千瓦分布式光伏发电系统的占用面积对应的总装机容量如图8所示。图中：绿域上边曲线代表积极情景，下边曲线 采用不同光电转换效率的光伏组件时，每千瓦分布式光伏发电系统的占用面积对应的总装机容量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)农村家庭户数是一个动态量，一方面中国的城镇化率将继续提升，农村家庭户数将会减少；另一方面，随着农村住宅的进一步改造，户均住宅面积和可利用屋顶面积也会随之增加，中国农村民居屋顶分布式光伏发电系统的总体装机容量将进一步增加。
3)本文讨论的是发展农村民居屋顶分布式光伏发电的物理基础，即有效建筑物屋顶的可利用屋顶面积和装机容量潜力，未讨论在农户庭院内的装机容量潜力，也未对影响当地屋顶分布式光伏发电系统发展的其他诸多因素进行讨论，例如当地实际的太阳能资源和电网接入情况等。
5 中国农村民居屋顶分布式光伏发电的应用案例 5.1 云南省昆明市禄劝彝族苗族自治县马鹿塘乡普德村的整村推进案例
云南省昆明市禄劝彝族苗族自治县是一个以彝族、苗族为主的自治县，马鹿塘乡普德村位于县境北部，是昆明市海拔最高的乡镇，曾经是“边”、“民”、“穷”特点突出的乡镇之一，山高地少，没有支柱产业，缺乏收入，而经济和产业的落后又进一步加剧了当地的贫困程度，低收入抑制了当地居民的用电量，难以满足生产生活需求。在昆明市科学技术局的支持下，以整村推进的方式在村民住宅的屋顶上建设分布式光伏发电系统，并建设了一系列“光伏+”工程(例如：“光伏+畜牧业”“光伏+公共服务”“光伏+农业设施”等)，以增加村民收入，实现乡村振兴。
根据村民意愿、住宅安装条件，以及每户用电需求，该项目为普德村中的99户住宅安装了屋顶分布式并网光伏发电系统。每户的屋顶分布式并网光伏发电系统的装机容量为3.52 kW，整个项目的总装机容量达到348.48 kW。由于每户住宅的屋顶布局不同，因地制宜，屋顶分布式并网光伏发电系统采用了不同的安装形式，具体如图9所示。其中：图9a的屋顶无平台，且坡屋顶朝向东、西，因此只能选择在户外空地上安装分布式并网光伏发电系统；图9b的屋顶只有很小的平台，基本可满足系统的安装；图9c的平台面积约有30～40 m2，系统约占平台面积的1/2；图9d的平台面积更大，系统约占平台面积的1/3；图9e的屋顶有很大的平台，且有上下两个平台(即3楼平台上的建筑屋顶也是平台)，合计面积超过100 m2，系统安装在两个平台中较高的平台上，约占上平台面积的1/2，可供两户使用。
按照每户屋顶分布式并网光伏发电系统的装机容量3.52 kW计算，则系统平均占用的屋顶面积约为16 m2，每户住宅的平均投影面积约为110 m2，则安装屋顶分布式并网光伏发电系统的面积占屋顶面积的14.5%(介于本文假设的基本情景10%和积极情景20%的中间)。
内蒙古自治区的太阳能资源极为丰富，在该地区建设光伏电站，特别是在部分贫困地区利用光伏扶贫，将是有阳光就有收益的可持续发展项目。
2018年，在内蒙古自治区通辽市科尔沁区大林镇大山屯村建设了两个屋顶分布式并网光伏发电系统，其中一个为平屋顶，另一个为坡屋顶，装机容量均为5.3 kW；两个屋顶均无遮挡物，所以可最大限度地利用屋顶面积，安装的屋顶分布式并网光伏发电系统约占平屋顶面积的70%，约占坡屋顶面积的45%，并于2018年7月13日全部并网发电。
同年，在大林镇乌斯土村的某户民居的坡屋顶安装了与大山屯村同样的5.3 kW屋顶分布式并网光伏发电系统，均安装在坡屋顶南面向阳的坡面，系统约占坡屋顶面积的40%，并于同年11月并网发电。该系统不仅能保证用户基本生产生活的用电需求，同时在光照充足的时间段能够余电上网并获得收益，极大改善了农民的生产生活用电情况，同时产生了经济效益。
中国幅员辽阔，各地的太阳能资源并不相同，单位光伏发电系统日发电量最低值为2.24 kWh/kWp，最高值可达5.75 kWh/kWp，全国平均值为 3.88 kWh/kWp[17]。按这一全国平均值进行估算，基本情景下光伏发电系统的年发电量可达492690 GWh，而积极情景下光伏发电系统的年发电量可达985380 GWh。
据国家统计局的数据显示[18]，2019年中国农村用电量为948300 GWh[19]，若将潜力充分发挥，农村民居屋顶分布式光伏发电可贡献农村用电量的52%～104%，并能产生相当可观的环境效益，具体如表1所示，1 kWh光伏发电可节约标准煤 302.5 g[20]，并减排二氧化碳 832.0 g，以及减少其他温室气体如二氧化硫、氮氧化物和碳粉尘的排放[21]。
若农村民居屋顶分布式光伏发电系统采用“自发自用、余电上网”模式，按照各地的激励政策，还能给农民带来可观的收入。农村民居屋顶分布式光伏发电的收益主要来自3个方面：
3)卖电赚钱。系统所发电量除自用外，余电上网，价格按照当地燃煤脱硫机组标杆电价(各地区电价有所不同)计算。
本文在推算出中国农村民居屋顶面积基本量的基础上，详细分析了影响农村民居建设屋顶分布式光伏发电系统的各类因素，然后分别针对基本情景和积极情景，对中国农村民居屋顶分布式光伏发电的装机容量潜力和发电量进行了预测，并分析预测了由此带来的环境效益和经济效益，由此说明发展农村民居屋顶分布式光伏发电可以促进农村能源转型和助推乡村振兴。分析结果表明：基本情景下，中国农村民居屋顶分布式光伏发电的装机容量潜力为348 GW；积极情景下，装机容量潜力为696 GW。
(1. 世界资源研究所(美国)北京代表处，北京 100027；2. 内蒙古工业大学能源与动力工程学院，呼和浩特 010051；3. 云南日林新能源开发有限公司，昆明 650041；4. 风能太阳能利用技术省部共建教育部实验室，呼和浩特 010051；5. 内蒙古绿能新能源有限责任公司，呼和浩特 010010)
结论
截至2018年底，中国大陆农村人口占全国人口的比例为40.4%，农村家庭户数占全国家庭户数的比例为37.8%。2020年第7次全国人口普查的数据表明-凯发一触即发(中国区)官方网站 -凯发k8官网
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