农村光伏新能源开发应用研究

2023-06-13武国兆张锴

农村农业农民·A版 2023年3期

武国兆张锴

摘要：能源是实现乡村振兴乃至农业农村现代化必不可少的重要支撑。我国农业农村领域未来既有旺盛的能源需求，同时也为光伏太阳能等清洁能源的发展提供了广阔空间。推动农村地区光伏电力资源有效利用，需要积极推进农村电网升级改造、光电及储能技术和应用形式创新，改革需求侧电价机制，加强行业政策指导。

关键词：光伏发电；分布式；农光互补；需求侧

能源是经济社会发展的重要支撑。乡村振兴战略的持续推进必然推动农村地区各类产业发展，促使农民生产生活方式和农村社会发生深刻改变，这些都需要能源的大规模投入。目前，我国城乡融合发展取得较大进展，形成一批以浙江乌镇、江苏昆山、山东寿光、海南博鳌为代表的现代化新农村。但总的来看，我国农村地区极为广阔，更多的农村地区特别是以中西部为代表的广大农村地区经济社会发展水平与城市之间仍然存在较大差距。要使广阔的农村地区在未来乡村振兴中实现产业、经济、社会的长足发展，能源需求将是巨大的。2020年，我国农村能源消费量约5.92亿吨标煤，且以每年5%的速度递增，而能源结构仍然以煤炭为主。在当前我国积极推进“双碳”战略背景下，既要解决最广大地区经济社会发展的能源需求问题，又必须摆脱传统能源供给方式的束缚，只有在充分挖掘风、光等可再生能源潜力上下功夫，为乡村产业乃至城市经济社会发展提供强大动能。本文以河南省为例，就农村光伏能源开发利用相关问题进行探讨。

一、河南省农村地区光电资源及其开发利用情况分析

（一）河南省光电资源分布情况

光电资源是指通过光电设备转化为电能的光资源。这一资源量的大小，不仅与某一地区的光资源量有关，也与光资源量的转化利用条件（包括设备、天气等）有关。

我国光能资源丰富，但分布不均衡，呈现“西部大于东部，高原地区大于平原地区”的特点。河南位于我国中部地区，介于北纬31°23′～36°22′和东经110°21′～116°39′，大部分地处暖温带，属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，同时还具有自东向西由平原向丘陵山地气候过渡的特征，年均日照时数为1505.9～2230.7小时。依据河南有关气象站观测数据及全球气象数据库METEONORM、SolarGIS等数据分析，2021年河南年均水平面总辐照量1204～1400kWh/m2，虽然比全国1505kWh/m2略低，但仍属光电资源量较丰富地区。

（二）河南省光电资源开发利用情况

近年来，在脱贫攻坚、乡村振兴、碳达峰碳中和等重大政策背景下，国家出台了《关于实施光伏发电扶贫工作的意见》《加快农村能源转型发展助力乡村振兴的实施意见》等一系列积极推进农村光电资源开发利用的政策，明确提出稳步推进分布式光伏发电建设，推动农村用能革新。据统计，截至2020年河南省光伏新能源装机总量约为1300WkW，光电开发形式以集中式光伏电站和村级光伏电站居多，其中脱贫攻坚阶段建设村级扶贫光伏电站约300WkW，占总量的约1/4。

（三）河南省需要积极发展农村分布式光伏电站

在全国“西电东送”能源供需大局上，河南是电力资源输入地，而且需求量大，2019年全省供需缺口达548亿kWh。在低碳减排政策背景下，要弥补相应的能源缺口，必须在清洁能源如光电资源的开发利用及跨区域调配上想办法。我国光伏发电技术成熟度高，光电资源开发利用主要受用地政策影响。但光资源属典型的低密度资源，收集利用须占有较大的面积，往往与城市建设、工农业生产、风景开发及保护等存在诸多争地、争光的矛盾。河南作为农业大省、人口大省，相关方面存在的问题尤为突出。推动相关矛盾化解，必须努力提高土地空间复合利用水平。河南农村地区土地资源丰富，道路边坡、村居和农业生产建筑的闲置屋顶、养殖水面等都适合建设分布式光伏电站。扶贫电站建设经验表明，这是一条既可以有效化解能源供需矛盾又能助力农民增收的有效途径。

二、分布式光伏电站建设

（一）分布式光伏电站及其在河南的发展

分布式光伏电站是充分利用分散空间资源、在用户附近建设、发电装机容量较小的光伏发电系统。光伏产业化应用早期阶段以分布式电站建设为主，曾经在农田灌溉、偏远村落用电等方面发挥出重要作用，在欧美、印度、非洲等地区，光伏技术应用仍然是重要形式。我国分布式光伏电站主要分两类，一类是应用于海岛、山区、牧区等少电、无电地区的离网系统；另一类更多则是与国家电网相连接的并网系统。并网式光伏发电系统主要采取“自发自用、余电上网”的运行模式，由于规模较小、产生的电力资源有限，系统发电主要用于保障自身用电需求，剩余部分向外电网配送，并获取相应的售电收益。一旦自身发电量不足，还可及时从外电网获得补充。受电网政策、光伏产业发展政策影响，更多发展成为集中式光伏电站，分布式光伏电站建设相对滞后。但近年来特别是2019年以来发展势头迅猛，目前河南已经成为继京津冀、广东、山东、长三角之后分布式光伏电站增长速度最快的地区，到2021年年底河南省户用光伏装机达15.41万户，总装机容量3.43万kW。

（二）分布式光伏電站在农业农村领域的主要发展方向

农业农村领域是分布式光伏电站的重要应用领域，主要应用形式包括以下几种：

农光互补。主要指在设施农业建筑上架设光伏组件，由光伏发电为农业生产提供电能。我国光伏农业始于2009年台湾光宝集团在江西上饶建成的薄膜硅光伏农业大棚，2013年又在山东寿光建成年发电量150万kWh的全国第一个并网发电光伏温室示范项目。光伏农业近年来发展迅速，在光伏养殖、光伏种植等方面皆有推广，预计未来数年内市场规模将达万亿元。另有数据表明，2018年我国设施农业发展面积189.42万公顷，其中30%为日光温室。农光互补的最大影响是蔬菜等作物光合与光伏发电之间的“争光”问题，目前相关问题已经有了较为完善的解决方案。另外，河南省相当一批设施农业如食用菌栽培、畜禽养殖等对自然光的需求很小，这些产业与光伏发电之间不存在“争光”矛盾，非常适合与光伏发电相结合。

渔光互补。渔光互补是我国于2012年首创建设的新型渔业方式（江苏建湖），它实现了水上发电与水下养殖的结合，在获得渔业养殖收益、光伏发电收益的同时，还具有净化水质的作用。随着环境改善，这一产业还表现出休闲旅游的巨大潜力，成为渔业增收的又一重要途径。目前全国最大的浙江慈溪市周巷水库和长河水库“渔光互补”项目，于2017年建成，总投资18亿元，利用水域面积299.47hm2，总装机容量20万kW，年均发电量2.2亿kWh，并全部接入国家电网，每年渔业收入1300万元、售电收入约2.4亿元。

户用光伏。户用光伏是分布式光伏电站研究最为深入的领域，国内外绝大多数分布式电站建设管理、运行策略的研究都以此为对象，相关的组网设备研发、电路改造及集中控制等已非常配套。该类电站一般采取“自发自用、余电上网”模式运行，光伏发出的电力资源首先用来保障自身利用，包括直接供电或先行向蓄电池供电而后由蓄电池再供电等；多余电力则向外网输送。同时，结合相应的电价政策，用户会对自己的用电行为进行管理（即需求侧管理），将一些可以延迟的用电需求调整到自身电力资源充足或外电网电价低的阶段运行，可以减轻外电网在用电高峰时段的供电保障压力，从而达到“削峰填谷”的目的，这也是分布式电站对国家电网的重要贡献之一。目前在上海等地，戶用光伏并网“自发自用、余电上网”运行已很常见，但不少农村地区虽然建有屋顶光伏，也仅仅是提供了一块儿建设用地而已，发电与用电并无关系。这种运行方式仍然可以为国家电网补充一部分电力资源，但没有发挥“削峰填谷”的作用。

光伏发电与荒坡治理。在一些不适宜农作物生长、不便采取其他方式利用的荒坡上架设光伏电站，一方面可以借助光伏遮阴减少土壤水分蒸发，以利于土壤植被恢复；另一方面，借助这些地区全年晴天多、日照条件好的优势可以多发电，再利用电能抽水灌溉，可以有效缓解干旱对周边植被的影响。河南西部洛阳、三门峡一带气候干燥，部分地区存在用水困难的问题，对当地农业生产、植被恢复影响较大，可以考虑结合实际建设一些分布式光伏电站配套服务于荒坡治理的需要。

三、农村地区光电资源利用策略分析

利用农村闲置空间建设分布式光伏电站，有利于充分吸纳光伏发电资源进行就地消纳，缓解国家电网异地供电保障压力，并能在支持农村地区相关产业发展、提高农民收益等方面发挥重要作用。但不同地区光伏发电资源不同、当地的实际用能需求及增长趋势不同、周边电网的消纳吸收能力不同、空间可开发利用条件不同，这些都有可能会影响到光伏电力资源的开发程度及实际条件下的供需匹配关系，并会对整个农村地区（需求侧）电网建设提出相应的要求。

（一）鼓励自发自用

自发自用是分布式光伏电站运行最重要的基本策略。随着农村地区产业发展、农民生活质量改善、农业现代化推进，农业农村领域用电需求会越来越大，有条件建设分布式电站的用户实行户内消纳，一方面可以有效减少用户对外电网的需求，另一方面可以避免多家分布电站接入电网造成网络拥堵。

（二）促进当地消纳

当地消纳是分布式光伏电站运行的另一重要策略。对于单一用户构建的光伏发电系统，可能会存在电力资源节余的问题，应及时考虑在同一社区（村组）或周边社区的邻居间调配。实现这一目标，一是要做好光伏资源的开发规划。要充分考虑某一区域的开发潜力、用能需求，保证在同一社区（或周边社区）内，总的光伏开发量与所有用户总的需求量（本文选择按一天计算，也可以考虑按其他时长计算）基本配平（一般而言，应保证总开发量略大于总需求量以提供必要的保障余量）。二是完善电网配置，合理增加与社区供电保障需求相适应的公共储能设备，为光伏电力资源在社区内进行周转调节提供技术支持。

（三）灵活组网方式

受地理位置、地形条件限制，农村地区分布式光伏电站建设可能会出现区域范围内供需严重不匹配的情况。在可利用面积大而居民很少的情况下，可以考虑建设集中式光伏电站直接向外电网供电；在可利用面积小而居民用电需求大的情况下，则应考虑分解组网方式，依据分布式光伏电站的发电规模配置居民用电需求，其他更多的用电则应直接由外网提供。

四、河南省农村地区光电资源有效利用相关配套政策建议

（一）加强乡村电网顶层设计与系统改造

电荒问题曾经是导致农村地区经济社会发展滞后、群众生活困难的重要原因，未来推进乡村振兴、助力实现农业现代化，必须高度重视农村电力开发和电网设施建设。要着眼长远规划，从顶层设计入手，在充分开展光电资源开发潜力调研基础上，综合考虑乡村用电需求、清洁能源高比例渗透利用等，对传统农村电网进行现代化改造升级，从技术与政策多方面着手，对未来一个时期农村电网建设作出统筹考虑。

（二）加大集中储能及电力资源、空域调节技术投入

要把分布式光伏发电等新能源系统的建设放在农村电力及多种能源开发利用的突出位置，围绕新能源有效利用、“自发自用、余电上网”、当地消纳及提升用电保证率等几个关键问题，在大规模储能设备配置、风光沼气等新型清洁能源入网调配等方面加大技术研发投入，为农村地区风光电力资源开发利用创造有利条件。

（三）加强前期设计、运行管理机制和电价调节机制建设

在现有技术条件下，积极协调拓展农村地区光伏电力资源开发利用空间，如在设施农业用地上架设光伏棚架、结合农业生产设施将光伏安装一并纳入结构化设计和空间改造等。国家应出台相关引导性政策，在一些农业产业领域（如国家和省级农业产业园区内）推行峰谷电价机制，鼓励引领农业农村领域分布式光伏电站的开发利用。在实际运行中，要结合光伏电站实际，合理协调电厂、电网、用户、储能之间利益关系，切实保证各方正当利益，保护各方发展、利用光电资源的积极性，促进就近消纳。

（四）探索光电新材料新设备的适应性开发

要着眼于我国农业温室以轻简化结构为主的实际，主动适应农业生产需要设计创新光伏发电组件等新材料新设备，重点通过光伏板结构调整化解农光互补应用中存在的“争光”矛盾，研发创新农光互补应用形式。

（五）坚持政策引领

结合我国“碳达峰碳中和”相关政策落地，及时研究适合本地区农业农村领域分布式光伏电站建设、应用的发展路径，结合农村社区改造、人居环境整治、生态农场创建、产业园区建设等，设计制定与光伏发电资源利用相关的政策考核指标，督促有关管理机构和产业发展主体积极利用好光伏电力资源。

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