農(nóng)村光伏新能源開發(fā)應(yīng)用研究

武國兆 張鍇

摘 要：能源是實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興乃至農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化必不可少的重要支撐。我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)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(fā)展提供了廣闊空間。推動農(nóng)村地區(qū)光伏電力資源有效利用，需要積極推進農(nóng)村電網(wǎng)升級改造、光電及儲能技術(shù)和應(yīng)用形式創(chuàng)新，改革需求側(cè)電價機制，加強行業(yè)政策指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；分布式；農(nóng)光互補；需求側(cè)

能源是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要支撐。鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的持續(xù)推進必然推動農(nóng)村地區(qū)各類產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促使農(nóng)民生產(chǎn)生活方式和農(nóng)村社會發(fā)生深刻改變，這些都需要能源的大規(guī)模投入。目前，我國城鄉(xiāng)融合發(fā)展取得較大進展，形成一批以浙江烏鎮(zhèn)、江蘇昆山、山東壽光、海南博鰲為代表的現(xiàn)代化新農(nóng)村。但總的來看，我國農(nóng)村地區(qū)極為廣闊，更多的農(nóng)村地區(qū)特別是以中西部為代表的廣大農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展水平與城市之間仍然存在較大差距。要使廣闊的農(nóng)村地區(qū)在未來鄉(xiāng)村振興中實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟、社會的長足發(fā)展，能源需求將是巨大的。2020年，我國農(nóng)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(jié)構(gòu)仍然以煤炭為主。在當前我國積極推進“雙碳”戰(zhàn)略背景下，既要解決最廣大地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的能源需求問題，又必須擺脫傳統(tǒng)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(xiāng)村產(chǎn)業(yè)乃至城市經(jīng)濟社會發(fā)展提供強大動能。本文以河南省為例，就農(nóng)村光伏能源開發(fā)利用相關(guān)問題進行探討。

一、河南省農(nóng)村地區(qū)光電資源及其開發(fā)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(shè)備轉(zhuǎn)化為電能的光資源。這一資源量的大小，不僅與某一地區(qū)的光資源量有關(guān)，也與光資源量的轉(zhuǎn)化利用條件（包括設(shè)備、天氣等）有關(guān)。

我國光能資源豐富，但分布不均衡，呈現(xiàn)“西部大于東部，高原地區(qū)大于平原地區(qū)”的特點。河南位于我國中部地區(qū)，介于北緯31°23′～36°22′和東經(jīng)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(shù)為1505.9～2230.7小時。依據(jù)河南有關(guān)氣象站觀測數(shù)據(jù)及全球氣象數(shù)據(jù)庫METEONORM、SolarGIS等數(shù)據(jù)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(qū)。

（二）河南省光電資源開發(fā)利用情況

近年來，在脫貧攻堅、鄉(xiāng)村振興、碳達峰碳中和等重大政策背景下，國家出臺了《關(guān)于實施光伏發(fā)電扶貧工作的意見》《加快農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型發(fā)展助力鄉(xiāng)村振興的實施意見》等一系列積極推進農(nóng)村光電資源開發(fā)利用的政策，明確提出穩(wěn)步推進分布式光伏發(fā)電建設(shè)，推動農(nóng)村用能革新。據(jù)統(tǒng)計，截至2020年河南省光伏新能源裝機總量約為1300WkW，光電開發(fā)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(shè)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(fā)展農(nóng)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(yīng)的能源缺口，必須在清潔能源如光電資源的開發(fā)利用及跨區(qū)域調(diào)配上想辦法。我國光伏發(fā)電技術(shù)成熟度高，光電資源開發(fā)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(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、風景開發(fā)及保護等存在諸多爭地、爭光的矛盾。河南作為農(nóng)業(yè)大省、人口大省，相關(guān)方面存在的問題尤為突出。推動相關(guān)矛盾化解，必須努力提高土地空間復(fù)合利用水平。河南農(nóng)村地區(qū)土地資源豐富，道路邊坡、村居和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建筑的閑置屋頂、養(yǎng)殖水面等都適合建設(shè)分布式光伏電站。扶貧電站建設(shè)經(jīng)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(nóng)民增收的有效途徑。

二、分布式光伏電站建設(shè)

（一）分布式光伏電站及其在河南的發(fā)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(shè)、發(fā)電裝機容量較小的光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用早期階段以分布式電站建設(shè)為主，曾經(jīng)在農(nóng)田灌溉、偏遠村落用電等方面發(fā)揮出重要作用，在歐美、印度、非洲等地區(qū)，光伏技術(shù)應(yīng)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(yīng)用于海島、山區(qū)、牧區(qū)等少電、無電地區(qū)的離網(wǎng)系統(tǒng)；另一類更多則是與國家電網(wǎng)相連接的并網(wǎng)系統(tǒng)。并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要采取“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的運行模式，由于規(guī)模較小、產(chǎn)生的電力資源有限，系統(tǒng)發(fā)電主要用于保障自身用電需求，剩余部分向外電網(wǎng)配送，并獲取相應(yīng)的售電收益。一旦自身發(fā)電量不足，還可及時從外電網(wǎng)獲得補充。受電網(wǎng)政策、光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策影響，更多發(fā)展成為集中式光伏電站，分布式光伏電站建設(shè)相對滯后。但近年來特別是2019年以來發(fā)展勢頭迅猛，目前河南已經(jīng)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(qū)，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(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域的主要發(fā)展方向

農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域是分布式光伏電站的重要應(yīng)用領(lǐng)域，主要應(yīng)用形式包括以下幾種：

農(nóng)光互補。主要指在設(shè)施農(nóng)業(yè)建筑上架設(shè)光伏組件，由光伏發(fā)電為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供電能。我國光伏農(nóng)業(yè)始于2009年臺灣光寶集團在江西上饒建成的薄膜硅光伏農(nóng)業(yè)大棚，2013年又在山東壽光建成年發(fā)電量150萬kWh的全國第一個并網(wǎng)發(fā)電光伏溫室示范項目。光伏農(nóng)業(yè)近年來發(fā)展迅速，在光伏養(yǎng)殖、光伏種植等方面皆有推廣，預(yù)計未來數(shù)年內(nèi)市場規(guī)模將達萬億元。另有數(shù)據(jù)表明，2018年我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展面積189.42萬公頃，其中30%為日光溫室。農(nóng)光互補的最大影響是蔬菜等作物光合與光伏發(fā)電之間的“爭光”問題，目前相關(guān)問題已經(jīng)有了較為完善的解決方案。另外，河南省相當一批設(shè)施農(nóng)業(yè)如食用菌栽培、畜禽養(yǎng)殖等對自然光的需求很小，這些產(chǎn)業(yè)與光伏發(fā)電之間不存在“爭光”矛盾，非常適合與光伏發(fā)電相結(jié)合。

漁光互補。漁光互補是我國于2012年首創(chuàng)建設(shè)的新型漁業(yè)方式（江蘇建湖），它實現(xiàn)了水上發(fā)電與水下養(yǎng)殖的結(jié)合，在獲得漁業(yè)養(yǎng)殖收益、光伏發(fā)電收益的同時，還具有凈化水質(zhì)的作用。隨著環(huán)境改善，這一產(chǎn)業(yè)還表現(xiàn)出休閑旅游的巨大潛力，成為漁業(yè)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(fā)電量2.2億kWh，并全部接入國家電網(wǎng)，每年漁業(yè)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(lǐng)域，國內(nèi)外絕大多數(shù)分布式電站建設(shè)管理、運行策略的研究都以此為對象，相關(guān)的組網(wǎng)設(shè)備研發(fā)、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(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式運行，光伏發(fā)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(wǎng)輸送。同時，結(jié)合相應(yīng)的電價政策，用戶會對自己的用電行為進行管理（即需求側(cè)管理），將一些可以延遲的用電需求調(diào)整到自身電力資源充足或外電網(wǎng)電價低的階段運行，可以減輕外電網(wǎng)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(wǎng)的重要貢獻之一。目前在上海等地，戶用光伏并網(wǎng)“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”運行已很常見，但不少農(nóng)村地區(qū)雖然建有屋頂光伏，也僅僅是提供了一塊兒建設(shè)用地而已，發(fā)電與用電并無關(guān)系。這種運行方式仍然可以為國家電網(wǎng)補充一部分電力資源，但沒有發(fā)揮“削峰填谷”的作用。

光伏發(fā)電與荒坡治理。在一些不適宜農(nóng)作物生長、不便采取其他方式利用的荒坡上架設(shè)光伏電站，一方面可以借助光伏遮陰減少土壤水分蒸發(fā)，以利于土壤植被恢復(fù)；另一方面，借助這些地區(qū)全年晴天多、日照條件好的優(yōu)勢可以多發(fā)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(qū)存在用水困難的問題，對當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、植被恢復(fù)影響較大，可以考慮結(jié)合實際建設(shè)一些分布式光伏電站配套服務(wù)于荒坡治理的需要。

三、農(nóng)村地區(qū)光電資源利用策略分析

利用農(nóng)村閑置空間建設(shè)分布式光伏電站，有利于充分吸納光伏發(fā)電資源進行就地消納，緩解國家電網(wǎng)異地供電保障壓力，并能在支持農(nóng)村地區(qū)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、提高農(nóng)民收益等方面發(fā)揮重要作用。但不同地區(qū)光伏發(fā)電資源不同、當?shù)氐膶嶋H用能需求及增長趨勢不同、周邊電網(wǎng)的消納吸收能力不同、空間可開發(fā)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(fā)程度及實際條件下的供需匹配關(guān)系，并會對整個農(nóng)村地區(qū)（需求側(cè)）電網(wǎng)建設(shè)提出相應(yīng)的要求。

（一）鼓勵自發(fā)自用

自發(fā)自用是分布式光伏電站運行最重要的基本策略。隨著農(nóng)村地區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、農(nóng)民生活質(zhì)量改善、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化推進，農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域用電需求會越來越大，有條件建設(shè)分布式電站的用戶實行戶內(nèi)消納，一方面可以有效減少用戶對外電網(wǎng)的需求，另一方面可以避免多家分布電站接入電網(wǎng)造成網(wǎng)絡(luò)擁堵。

（二）促進當?shù)叵{

當?shù)叵{是分布式光伏電站運行的另一重要策略。對于單一用戶構(gòu)建的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可能會存在電力資源節(jié)余的問題，應(yīng)及時考慮在同一社區(qū)（村組）或周邊社區(qū)的鄰居間調(diào)配。實現(xiàn)這一目標，一是要做好光伏資源的開發(fā)規(guī)劃。要充分考慮某一區(qū)域的開發(fā)潛力、用能需求，保證在同一社區(qū)（或周邊社區(qū)）內(nèi)，總的光伏開發(fā)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(yīng)保證總開發(fā)量略大于總需求量以提供必要的保障余量）。二是完善電網(wǎng)配置，合理增加與社區(qū)供電保障需求相適應(yīng)的公共儲能設(shè)備，為光伏電力資源在社區(qū)內(nèi)進行周轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)提供技術(shù)支持。

（三）靈活組網(wǎng)方式

受地理位置、地形條件限制，農(nóng)村地區(qū)分布式光伏電站建設(shè)可能會出現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)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(shè)集中式光伏電站直接向外電網(wǎng)供電；在可利用面積小而居民用電需求大的情況下，則應(yīng)考慮分解組網(wǎng)方式，依據(jù)分布式光伏電站的發(fā)電規(guī)模配置居民用電需求，其他更多的用電則應(yīng)直接由外網(wǎng)提供。

四、河南省農(nóng)村地區(qū)光電資源有效利用相關(guān)配套政策建議

（一）加強鄉(xiāng)村電網(wǎng)頂層設(shè)計與系統(tǒng)改造

電荒問題曾經(jīng)是導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展滯后、群眾生活困難的重要原因，未來推進鄉(xiāng)村振興、助力實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，必須高度重視農(nóng)村電力開發(fā)和電網(wǎng)設(shè)施建設(shè)。要著眼長遠規(guī)劃，從頂層設(shè)計入手，在充分開展光電資源開發(fā)潛力調(diào)研基礎(chǔ)上，綜合考慮鄉(xiāng)村用電需求、清潔能源高比例滲透利用等，對傳統(tǒng)農(nóng)村電網(wǎng)進行現(xiàn)代化改造升級，從技術(shù)與政策多方面著手，對未來一個時期農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)作出統(tǒng)籌考慮。

（二）加大集中儲能及電力資源、空域調(diào)節(jié)技術(shù)投入

要把分布式光伏發(fā)電等新能源系統(tǒng)的建設(shè)放在農(nóng)村電力及多種能源開發(fā)利用的突出位置，圍繞新能源有效利用、“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”、當?shù)叵{及提升用電保證率等幾個關(guān)鍵問題，在大規(guī)模儲能設(shè)備配置、風光沼氣等新型清潔能源入網(wǎng)調(diào)配等方面加大技術(shù)研發(fā)投入，為農(nóng)村地區(qū)風光電力資源開發(fā)利用創(chuàng)造有利條件。

（三）加強前期設(shè)計、運行管理機制和電價調(diào)節(jié)機制建設(shè)

在現(xiàn)有技術(shù)條件下，積極協(xié)調(diào)拓展農(nóng)村地區(qū)光伏電力資源開發(fā)利用空間，如在設(shè)施農(nóng)業(yè)用地上架設(shè)光伏棚架、結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施將光伏安裝一并納入結(jié)構(gòu)化設(shè)計和空間改造等。國家應(yīng)出臺相關(guān)引導(dǎo)性政策，在一些農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域（如國家和省級農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)）推行峰谷電價機制，鼓勵引領(lǐng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域分布式光伏電站的開發(fā)利用。在實際運行中，要結(jié)合光伏電站實際，合理協(xié)調(diào)電廠、電網(wǎng)、用戶、儲能之間利益關(guān)系，切實保證各方正當利益，保護各方發(fā)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(shè)備的適應(yīng)性開發(fā)

要著眼于我國農(nóng)業(yè)溫室以輕簡化結(jié)構(gòu)為主的實際，主動適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要設(shè)計創(chuàng)新光伏發(fā)電組件等新材料新設(shè)備，重點通過光伏板結(jié)構(gòu)調(diào)整化解農(nóng)光互補應(yīng)用中存在的“爭光”矛盾，研發(fā)創(chuàng)新農(nóng)光互補應(yīng)用形式。

（五）堅持政策引領(lǐng)

結(jié)合我國“碳達峰碳中和”相關(guān)政策落地，及時研究適合本地區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域分布式光伏電站建設(shè)、應(yīng)用的發(fā)展路徑，結(jié)合農(nóng)村社區(qū)改造、人居環(huán)境整治、生態(tài)農(nóng)場創(chuàng)建、產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)等，設(shè)計制定與光伏發(fā)電資源利用相關(guān)的政策考核指標，督促有關(guān)管理機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)發(fā)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]