演讲人：
江亿，中国工程院院士，清华大学教授、国家气候变化专家委员会成员。研究领域为低碳能源转型与建筑节能减排。主编出版《中国建筑节能年度发展研究报告》。曾获得两项国家科技发明奖、两项科技进步奖：集中供热调节、溶液调湿空调、间接蒸发冷却、建筑能耗模拟软件（DeST）。
一、农村现状
本次演讲中所谈到的农村，不是单独指向非城镇居民户口的群体，而是以当地居住者主要从事的经济活动来定义的，即以农业生产、畜禽牧业生产、林业生产为主要经济活动的群体所生活的村落，不包括以从事非农生产活动的加工、制造、销售等活动为主要经济活动的非城镇人口群体。
按照这个定义，截至2020年， “七普”数据显示，我国农村常驻人口为5.1亿人，一产就业人员为1.77亿人，一产生产总值为7.78亿元。一产的就业人员单位生产总值为全社会就业人口平均值的三分之一，而农村居民人均可支配收入不到城镇居民人均可支配收入的一半。这说明我们距离真正意义上的共同富裕和城乡统筹仍然有很长一段路要走，而农村在低碳能源发展和转型这一方面，也许会有形成优势的机会，为缩小城乡差距做出贡献。
经过大规模农村能源环境调研，2014年农村的生活总能耗为2.24亿吨标准煤，能源使用仍然以煤炭为主，除LPG和电能外，剩余能源使用均为生物质用能。
在生活用能中，采暖用能占全部生活用能的59%，远远高于城市比例，在北方农村，煤仍然是主要的燃料 （如图1所示）。采暖用能方面，主要采用烧柴及秸秆的火炕和火墙、土暖气、或者煤炉。炊事用能方面，农民厨房中有烧柴草和秸秆的大灶，煤炉、电灶以及液化气罐，燃料种类诸多，目前没有清晰的发展路线。同时，农业机械化水平也快速提高，农业机械消耗能源中以柴油为主，能源消耗量占95%以上，农业每年消耗柴油量在柴油消耗总量中所占比例在30%-40%之间。
图1 农村生活用能结构
以散煤、柴油为主的农村用能模式给环境带来了诸多的问题，包括大气污染，固废污染，对居民的健康同样带来了负面影响。除此之外，秸秆还田导致大量甲烷等非二氧化碳温室气体的排放。
针对此问题，国家政府高度重视，出台了一系列政策和补贴，如清洁采暖、光伏扶贫、农网升级改造等。尽管有所帮助，但离真正解决问题仍然较远，进一步推进将给中央带来大量的财政压力，可持续性不是很足。在此情况下，以屋顶光伏为基础的农村新型能源系统是改变农村能源结构的一种跨越式发展模式。
二、屋顶光伏为基础的农村新型能源系统
屋顶光伏项目是否可行，首先要调查农村有多少屋顶面积可用。采用卫星遥感识别和实地勘查双结合的办法，发现屋顶光伏的可用面积潜力巨大，尤其是北方的平房。举例来看，山西芮城贫困县都是围合的院落，屋顶面积就是308平米。尽管一家住房面积没有那么大，但是还有晾房和库房（如图2所示），若全都利用起来，一户能装28.3千瓦光伏。由此推算，全中国农村建筑屋顶总面积有273亿平米，可安装屋顶光伏19.7亿kW，预测年发电潜力2.95万亿kWh，相当于我国2019年总发电量的39%。我国规划未来光电装机40亿kW，年发电5万亿kWh，农村屋顶光伏可承担总发电量的50%。从屋顶面积的空间分布上来看，中东部因为人口密度大、建筑密度大，可利用的屋顶空间资源很多，所以光伏并不是只能在西北、青海发展，全国都有基础 （如图3所示）。
农村目前用电量人均目前不足1000kWh，如果全面电气化，测算未来4亿农民人均3500kWh，尚余1.5万亿kWh上网。全国75%的村落可以完全依靠屋顶光伏实现炊事、采暖、交通、生产工具、农副产品生产等全面电气化。
图2 屋顶光伏发电示例
图3 全国建筑屋顶面积分布
农村的用电特点更适合光伏消纳。光伏发电量变化由天气决定，除了光外，无法调节，而传统的电网恰恰相反，可以根据用电量的多少调节源头供给。农村的装机设备70%以上为带有蓄电池的负载，可以储存一部分电量，是很好的调峰手段。此外，农业生产、农副产品加工过程大多可实现“需求侧响应”的用电模式，生产过程可间断并且可跟随太阳而变化。农村用电的可靠性要求低于城市，灵活性较强，作为光伏发电和用电的试点地区是更为可行的。
从项目成本来看，屋顶光伏是初投资最低的光伏发电方式。首先，近年来我国蓬勃发展的光伏产业逐步降低了光伏器件的成本。其次，本项目中所需要的光伏器件只占总投资的35%-45%。再次，屋顶支架的安装在各类光伏发电支架中装置和安装成本最低。最后，保证发电之后优先自用、直接接入配电系统方式的接入转换成本也是最低的。
图4 农村“户级+村级”直流微网系统
每家每户除屋顶光伏外，还会配备3-5kW的蓄电池，用来支撑直流设备和家用智能充电桩的用电，实现全直流化。蓄电池保证储备足够的电量满足夜用，剩余的发电量上网发到村级微网，可以使用到公共建筑、照明、生产充电桩等村落设施。除冬天可能会受到天气影响外，通过屋顶光伏能源系统可以实现电力的“只发不收”。通过调整电价，实现自发自用不收费，取电高价，收电低价，农民就会根据天气调配自己用电的模式。相比整县光伏，屋顶光伏优先自用的特点，通过蓄能和需求响应模式进行调蓄，可以使老百姓的响应度提高 （如图4所示）。
这样，农民就可以省去相关的能源费用，并通过屋顶光伏拥有发电收入。以前用来燃烧的秸秆粪便可进行统一回收，加工成生物质燃料进入市场。同时每年全国农村剩余的约1万亿kWh的电力，每天20-40亿kWh，便可根据电力系统的供需平衡状况，作为调峰电力送入电网，可以解决未来约1/2光电的产消问题。
据统计，未来农村可产出生物质能源约5.8亿吨标准煤，为未来规划燃料总量的35%。迄今为止，多数的生物质能源仍然在被还田或者浪费。对农业秸秆、粪便、林业枝条来说，最好的使用办法就是加工为生物质能源。经过加工后的材料，全过程的综合能源效率可以从10-15%提高到40%以上。对于目前的生物质能源来说，不能得到充分利用原因为过分强调“优先自用”。应当充分市场化，开发利用其价值。同时，屋顶光伏可以在加工耗电程序中提供充足廉价的电力，减少成本与排放。生物质能源的统一回收还可以增加农民的收入：1kg粮食收入2元，产生生物质压缩颗粒的额外收入为1元。
目前中国的农业人均产值低，导致城市与农村的巨大差距。但由于我国的耕地资源状况，未来仍需保持20%的农村人口，来保持足够的供给。通过能源加工转换，将生物质资源和光伏发电资源商品化，输出为零碳燃料，可使农民增加50%以上的收入。由仅生产食品得到的10%增加到15%生物质能源商品化，可增加总收入的50%。同时加快农机具和交通工具的电气化，也是实现建设农村新能源系统的关键。以屋顶光伏为基础全面建设农村新型能源系统建设，同时理清相关补贴机制，集中财力资源，是解决三农问题的重要措施。最后，农村屋顶光伏项目也会带动我国的电力生产系统的“零碳化”革新：电力供给传统的集中式转为集中与分布相结合；电力调节由单一的“源随荷变”转变为“荷随源变”相结合。
（本文根据演讲现场记录和PPT整理而成。）
整理者：
方嘉雯，北京大学-林肯研究院城市发展与土地政策研究中心2021级博士生。
