截至2018年尾，中邦大陆乡下人丁占天下人丁的比例为40.4%，乡下家庭户数占天下家庭户数的比例为37.8%。2020年第7次天下人丁普查的数据证明：中邦大陆乡下人丁占天下人丁的比例略有低落，为36.11%，但依旧赶过了1/3。跟着脱贫和屯子强盛，乡下能源消费量呈延长趋向。但因为乡下能源众以煤炭等弗成再生的化石能源为主，且乡下的能源消费具有粗放和阔别的特性，使其成为温室气体(greenhouse gas，GHG)排放的厉重原因之一，2021年乡下能源消费的温室气体排放量约占天下温室气体排放总量的15%[1]。另一方面，乡下社区有充斥的怒放空间，适合进展可再生能源的操纵，越发是正在确保耕地红线的条件下，乡下民居屋顶分散式光伏发电装备具有伟大潜力，通过分散式洁净能源技能和乡下用能办法的调动，可助力告终碳达峰和碳中和(即“双碳”标的)。然而很众闭于能源转型的预测认识都未予以乡下社区足够的闭心。
基于此，本文通过认识中邦大陆乡下人丁、家庭户数及能源消费的根本状况，从各具特征的乡下民居动身，概括出中邦乡下民居屋顶的重要类型，计算出乡下民居屋顶面积的根本量；并以此行为根基，认识了影响乡下民居装置屋顶分散式光伏发电体例的诸众要素；然后再基于分别的气象，预测中邦乡下民居屋顶分散式光伏发电的装机容量潜力和发电量，以及由此带来的境况效益和经济效益，从而讲明进展乡下民居屋顶分散式光伏发电可能推动乡下能源转型和助推屯子强盛。本文数据和认识仅针对中邦大陆地域的乡下人丁、家庭的根本状况和潜正在的乡下民居屋顶分散式光伏发电的进展前景。
中邦的能源构造以化石能源为主。2020年中邦一次能源消费共计 145 EJ[2](1 EJ=1018J=23.8846百万吨油当量)，其构造如图1所示。
从图1可能看出：一次能源消费构造中，煤炭消费为82 EJ，占比高达57%；固然近年来包罗水资源正在内的可再生能源消费占比敏捷上升，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%，个中，风能消费占2.8%，太阳能消费占1.6%，其他可再生能源(包罗生物质能和地热能)仅占约0.9%[2]。
遵循2021年邦度统计年鉴的数据，中邦大陆乡下常住人丁达4.98亿人，乡下商品能源消费仅占天下能源消费总量的9%，乡下的全口径能源消费占天下能源消费总量的15%[3]。
2018年，中邦大陆城镇常住人丁为8.31亿人，乡下常住人丁为5.64亿人，城镇人丁占总人丁的比重(城镇化率)为59.6%；家庭总户数为4.5亿户，城镇家庭、乡下家庭户数判袂为2.8亿和1.7亿户[4]。2018年中邦大陆城乡人丁和家庭分散状况如图2所示。
邦度统计局发布的第7次天下人丁普查公报[5]显示：截至2020年11月1日零时，中邦总人丁为14.43亿人，个中，大陆人丁为14.12亿人。大陆人丁中，城镇人丁为9.02亿人，占总人丁的比重(城镇化率)为63.9%；乡下人丁为5.10亿人，占总人丁的比重为36.1%；城镇人丁的比重上升了14.21个百分点。家庭总户数为4.94亿户，然则公报未发布城镇家庭和乡下家庭的全部户数。2020年中邦大陆城乡人丁分散状况如图3所示。
用已知的天下家庭数据可能计算展示时年的家庭户数状况。假设已知家庭数据的肇端年为R0、终止年为R1，R0与R1的时刻间隔年数为m，则可计算R0与R1间的乡下家庭户数对城镇家庭户数比率的年复合改观率RCAG，其企图式为：
遵循文献[4]所供应的2010—2018年中邦城镇和乡下家庭户数，可知R0=2010，R1=2018，m=8，代入式(1)，可企图获得2010—2018年的年复合改观率为-4.1%，即2010年乡下家庭户数约为城镇家庭户数的84.8%，乡下家庭户数跟着时刻推移正在裁减，其与城镇家庭户数的比率鄙人降。到2018年，乡下家庭户数对城镇家庭户数的比率降为60.7%。
遵循这一趋向，可估算出标的年乡下家庭户数对城镇家庭户数的比率P2，其企图式为：
式中：P1为根基年乡下家庭户数对城镇家庭户数的比率，根基年选取2018年，取60.7%。
根基年选取2018年，标的年选取2020年，则遵循式(2)，可企图获得2020年乡下家庭户数对城镇家庭户数的比率为55.8%。按这一比率，可获得正在第7次天下人丁普查公报发布[5]的4.94亿户家庭中，城镇家庭户数约为3.17亿户，乡下家庭户数约为1.77亿户。2020年中邦大陆城乡家庭分散状况如图4所示。
正在“双碳”配景下，能源革命是中邦经济社会改变的厉重宗旨，其标的是以可再生能源代替化石能源。遵循寰宇资源探讨所(WRI)的数据[6]，截至2017年尾，农业举止的温室气体排放量占环球总排放量的11.8%。农业是最易遭遇天色改观影响的物业，其减排途途面对加倍繁杂的寻事，而这种寻事正在老少边穷及欠畅旺地域更为厉苛。中邦的能源革命，选取化石能源根基措施微弱的乡下入手，价钱更小，且可能将能源革命、生态文雅装备和屯子强盛政策融为一体，一举众得。
乡下能源操纵的特性是组织阔别和领域较小，格外适合分散式可再生能源的进展。跟着中邦光伏物业降本增效的一连饱动，光伏发电的平准化度电本钱(LCOE)不休向下冲破，2022年邦度补贴完全退坡，户用光伏发电进入平价时期。遵循《中邦光伏物业进展门途年，户用光伏发电体例的本钱为3.2～3.3元/W[7]。
遵循邦际能源署(IEA)的探讨讲演[8-9]，2011—2019年间，环球屋顶分散式光伏发电(含工贸易和民居屋顶)装机容量占环球分散式光伏发电装机容量的比例为92.1%，盘踞绝对的主导身分。遵循邦度能源局颁发的数据，纳入2021年邦度财务补贴确当年新增户用光伏发电项方针装机容量为21.6 GW，到达汗青新高，占中邦整年新增分散式光伏发电项目装机容量的39%以上[10]。户用光伏发电体例的本钱低落，为正在乡下大批进展分散式光伏发电供应了极大的经济可行性，正在厉守耕地红线的配景下，乡下民居屋顶分散式光伏发电是适合正在乡下进展的可再生能源操纵办法。
中邦56个民族的民居都各具特征，尽管是统一民族，各地域的民居也因自然前提和文明习俗的区别而有所分别。中邦具有模范民族特征的民居如图5所示。
民居屋顶的样式和颜色随民居气魄而改观，比方藏式民居的平屋顶，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。但遵循屋顶的根本构造，中邦民居屋顶可能分为4类[11]，判袂为平屋顶、坡屋顶、曲面屋顶、众波式折板屋顶，全部如图6所示。屋顶是进展乡下民居屋顶分散式光伏发电的最根本的物理根基，中邦乡下民居的屋顶以平屋顶和坡屋顶最为常睹。
现时，分散式光伏发电的重要操纵办法是装备屋顶分散式光伏发电体例。预测屋顶分散式光伏发电进展潜力的方式良众，可能通过直接法或间接法举办评估测算。直接法重要是通过科学技能措施直接获取各式资源的分散状况，同步探讨其他影响开辟的本质要素，从而估算屋顶分散式光伏发电的装机容量潜力；间接规定是从需求动身，操纵一个邦度的宏观社会经济进展状况来估算分散式光伏发电的操纵前景[12]。笔者以为，有用修立物屋顶是装备乡下分散式光伏发电体例的物理根基，是以本文采用直接法，通过估算有用修立物的可操纵屋顶面积来评估屋顶分散式光伏发电正在中邦乡下民居的进展潜力。
影响中邦乡下民居装置屋顶分散式光伏发电体例的重要要素有7个，判袂为乡下民居屋顶的根本阵势、屋顶巨细、屋顶强度、暗影、坡屋顶平面的倾斜度、屋顶平面的方位角、屋顶面积的可操纵性。下文举办精确认识。
中邦乡下民居的屋顶阵势众种众样，但大个人为平屋顶和坡屋顶，也有少量繁杂形式的屋顶，比方黄土高原窑洞的屋顶，这类屋顶无适合装置分散式光伏发电体例的平面。是以，正在预估乡下民居屋顶分散式光伏发电操纵时这类屋顶必要去除。
对付平屋顶，女儿墙的暗影会对屋顶面积的操纵率发生较大的影响，是以，此类屋顶平日要减去受暗影影响的屋顶面积。
装置屋顶分散式光伏发电体例必要屋顶起码有1个相接平面，从项方针经济效益来探讨，住户屋顶的程度投影面积应大于等于10 m2，假设光伏组件的光电转换效劳为20%，10 m2的屋顶面积足够装置约2 kW的分散式光伏发电体例。
屋顶的强度应有足够的接受力，能接受光伏组件的重量及抗压，比方风压和雪压等。平日，光伏组件及其配套修筑的重量约为15～20 kg/m2[13]，屋顶的强度应能承载光伏组件、光伏支架、线缆这个人重量及其他荷载。
要排斥屋顶方圆各类物体及其他修立对屋顶平面大概发生的暗影。暗影不光会裁减分散式光伏发电体例的输出功率，以至还会导致光伏组件发生热斑效应，当热斑效应到达肯定水平时，会导致一切光伏组件失效或报废。是以，要从整年太阳运转的身分来认识暗影对屋顶分散式光伏发电体例潜正在装置身分的影响，剔除受暗影影响不适合装置分散式光伏发电体例的屋顶面积。
坡屋顶平面的倾斜度对付确定其对光伏组件的合用性和发电量十分厉重。平日以为，倾斜度赶过40° 的屋顶属于过于巍峨[13]，倾斜度大于60° 的屋顶则全部不必要探讨[14]。
1)当屋顶平面倾斜度小于9.5° 时，将该屋顶视为平屋顶，不探讨其方位角朝向；
2)将屋顶平面倾斜度大于等于9.5° 的屋顶平面按每45° 为1个方位，共分成8个方位。
民居屋顶的方位角分类如图7所示，一切面向西北宗旨到东北宗旨(即图7中292.5°～67.5°)鸿沟内的屋顶平面都不适合装备分散式光伏发电体例，可将其排斥正在外[14]。
正在充溢探讨了上述各影响要素后的屋顶根本可能以为是可能装置分散式光伏发电体例的有用修立物屋顶，然则还必要探讨屋顶面积的可操纵性，即剔除屋顶上任何仍旧存正在的其他物件(比方电梯塔楼、空调室外机、太阳能热水器等)所占用的面积及由其发生的暗影面积后盈余的面积。
极少修立的屋顶不适合装置分散式光伏发电体例，比方：修立行使寿命仍旧赶过25年的砖混构造修立，或盈余的屋顶行使寿命分明短于分散式光伏发电体例行使寿命的修立；屋面平台年久失修存正在渗漏等构造性太平危险的修立；屋面或周边存正在大批粉尘、失火危急和腐化气体的修立；衡宇产权非自己的修立；违章修立、权且修立、销毁修立和政府已下发拆迁谋略的区域内的修立等。上述修立均不适合装备屋顶分散式光伏发电体例。
乡下民居都属于小型修立。遵循上述各项影响要素的判定，美邦能源部邦度可再生能源试验室(NREL)通过对小型修立屋顶的可操纵状况举办探讨，得出以下认识结论[14]：
1) 83%的小型修立具备适合装置分散式光伏发电体例的身分，但只要26%的小型修立屋顶总面积适合开辟分散式光伏发电体例；
为进一步认识可操纵屋顶面积装备分散式光伏发电体例的装机容量，遵循实行做如下假设：
1)对付平屋顶而言，假设分散式光伏发电体例所占面积与可操纵屋顶面积的比率为0.7，即朝南装置的光伏组件因本身前后排暗影遮挡酿成的输出功率耗费不赶过2.5%时的前后排光伏组件间距；
2)对付坡屋顶而言，假设分散式光伏发电体例所占面积与可操纵屋顶面积的比率为0.98，用于响应光伏组件之间设备光伏支架夹具等的空间。
按前文的计算，2020年中邦乡下家庭户数为1.77亿户，遵守乡下民居每户的均匀占地面积为120 m2企图[15]，乡下民居的总占地面积为212.4亿m2。因为乡下民居的占地面积根本相当于修立物屋顶的投影面积，是以，正在光伏发电用地日趋吃紧的配景下，这是一笔相当可观的进展屋顶分散式光伏发电的资产。
因为汗青、经济、天色和文明古板等原故，中邦乡下民居相对付畅旺邦度的乡下民居，正在屋顶构造强度方面，有较众的屋顶亏损以撑持屋顶分散式光伏发电体例的装置，比方苗族的吊脚楼、黎族的“布隆亭竿”和傣族的竹楼等，导致不适合装置分散式光伏发电体例的乡下民居的比例较大；此外，有极少屋顶能供分散式光伏发电体例装置的可操纵面积不敷大，也不适宜装置分散式光伏发电体例。
综上，以中邦乡下民居的屋顶总面积A0为212.4亿m2为根基，估算适合装置分散式光伏发电体例的屋顶面积。估计乡下民居的闲置率U为25%[15]；正在探讨上述各影响要素后，设定根本气象下适合装置分散式光伏发电体例的屋顶面积占乡下民居屋顶总面积的比例Rb为10%，踊跃气象下适合装置分散式光伏发电体例的屋顶面积占乡下民居屋顶总面积的比例Ra为20%(小于美邦的26%)，且个中平屋顶面积占乡下民居屋顶总面积的比例rf为25%，坡屋顶面积占乡下民居屋顶总面积的比例rp为75%。
式中：Af为适合装置分散式光伏发电体例的平屋顶面积，亿m2；Ap为适合装置分散式光伏发电体例的坡屋顶的投影面积，亿m2。
同理，将式(3)和式(4)中的Rb值改为踊跃气象下的Ra值(20%)，则可估算获得踊跃气象下适合装置分散式光伏发电体例的屋顶面积。
1)根本气象的认识。遵循式(3)、式(4)可企图获得：正在根本气象下，适合装置分散式光伏发电体例的平屋顶面积约为4.25亿m2；适合装置分散式光伏发电体例的坡屋顶的投影面积约为12.74 亿 m2。
假设均匀的坡屋顶平面的倾斜度α为30°[16]，则适合装置分散式光伏发电体例的坡屋顶的本质面积Ap,r的企图式为：
遵循式(5)可企图获得：适合装置分散式光伏发电体例的坡屋顶的本质面积约为14.72亿m2。
式中：i为屋顶类型，外现平屋顶或坡屋顶；Ai为i类屋顶本质面积，即平屋顶为Af，坡屋顶为Ap,r；Ri,e为i类屋顶面积的操纵率。
设定平屋顶面积的操纵率Rf,e为70%，坡屋顶面积的操纵率Rp,e为98%。则根本气象下适合装置分散式光伏发电体例的可操纵屋顶面积Ab为 17.41 亿 m2。
遵守每千瓦分散式光伏发电体例的占用面积为5 m2(间距正在估算屋顶可操纵面积时已探讨)企图，则正在根本气象下，中邦乡下民居的屋顶总面积可能装置约348 GW的分散式光伏发电体例。
2)踊跃气象的认识。与前文根本气象的认识同理，可获得正在踊跃气象下，适合装置分散式光伏发电体例的平屋顶面积约为8.50亿m2；适合装置分散式光伏发电体例的坡屋顶的本质面积约为29.43亿m2。采用与根本气象相像的平屋顶面积操纵率和坡屋顶面积操纵率，则可企图获得踊跃气象下适合装置分散式光伏发电体例的可操纵屋顶面积Aa为34.79亿m2，可能装置约为696 GW的分散式光伏发电体例。
1)本文是遵守光伏组件的光电转换效劳为20%，每千瓦分散式光伏发电体例的占用面积为5 m2举办的估算，倘若光伏组件的光电转换效劳进一步降低，则每千瓦分散式光伏发电体例的占用面积将进一步裁减，最终企图获得的中邦乡下民居屋顶分散式光伏发电体例的总体装机容量将加添。采用分别光电转换效劳的光伏组件时，每千瓦分散式光伏发电体例的占用面积对应的总装机容量如图8所示。图中：绿色区域上边弧线代外踊跃气象，下边弧线代外根本气象。
2)乡下家庭户数是一个动态量，一方面中邦的城镇化率将接连晋升，乡下家庭户数将会裁减；另一方面，跟着乡下室庐的进一步改制，户均室庐面积和可操纵屋顶面积也会随之加添，中邦乡下民居屋顶分散式光伏发电体例的总体装机容量将进一步加添。
3)本文辩论的是进展乡下民居屋顶分散式光伏发电的物理根基，即有用修立物屋顶的可操纵屋顶面积和装机容量潜力，未辩论正在田舍院落内的装机容量潜力，也未对影响本地屋顶分散式光伏发电体例进展的其他诸众要素举办辩论，比方本地本质的太阳能资源和电网接入状况等。
5 中邦乡下民居屋顶分散式光伏发电的操纵案例 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饱动案例
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州里，一经是“边”、“民”、“穷”特性杰出的州里之一，山高地少，没有支柱物业，缺乏收入，而经济和物业的掉队又进一步加剧了本地的贫寒水平，低收入抑低了本地住户的用电量，难以餍足坐褥糊口需求。正在昆明市科学技能局的声援下，以整村饱动的办法正在村民室庐的屋顶上装备分散式光伏发电体例，并装备了一系列“光伏+”工程(比方：“光伏+畜牧业”“光伏+群众任事”“光伏+农业措施”等)，以加添村民收入，告终屯子强盛。
遵循村民愿望、室庐装置前提，以及每户用电需求，该项目为普德村中的99户室庐装置了屋顶分散式并网光伏发电体例。每户的屋顶分散式并网光伏发电体例的装机容量为3.52 kW，一切项方针总装机容量到达348.48 kW。因为每户室庐的屋顶组织分别，因地制宜，屋顶分散式并网光伏发电体例采用了分别的装置阵势，全部如图9所示。个中：图9a的屋顶无平台，且坡屋顶朝向东、西，是以只可选取正在户外旷地上装置分散式并网光伏发电体例；图9b的屋顶只要很小的平台，根本可餍足体例的装置；图9c的平台面积约有30～40 m2，体例约占平台面积的1/2；图9d的平台面积更大，体例约占平台面积的1/3；图9e的屋顶有很大的平台，且有上下两个平台(即3楼平台上的修立屋顶也是平台)，合计面积赶过100 m2，体例装置正在两个平台中较高的平台上，约占上平台面积的1/2，可供两户行使。
遵守每户屋顶分散式并网光伏发电体例的装机容量3.52 kW企图，则体例均匀占用的屋顶面积约为16 m2，每户室庐的均匀投影面积约为110 m2，则装置屋顶分散式并网光伏发电体例的面积占屋顶面积的14.5%(介于本文假设的根本气象10%和踊跃气象20%的中心)。
内蒙古自治区的太阳能资源极为丰盛，正在该地域装备光伏电站，格外是正在个人贫寒地域操纵光伏扶贫，将是有阳光就有收益的可一连进展项目。
2018年，正在内蒙古自治区通辽市科尔沁区大林镇大山屯村装备了两个屋顶分散式并网光伏发电体例，个中一个为平屋顶，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，因此可最大控制地操纵屋顶面积，装置的屋顶分散式并网光伏发电体例约占平屋顶面积的70%，约占坡屋顶面积的45%，并于2018年7月13日齐备并网发电。
同年，正在大林镇乌斯土村的某户民居的坡屋顶装置了与大山屯村同样的5.3 kW屋顶分散式并网光伏发电体例，均装置正在坡屋顶南面朝阳的坡面，体例约占坡屋顶面积的40%，并于同年11月并网发电。该体例不光能保障用户根本坐褥糊口的用电需求，同时正在光照充斥的时刻段可能余电上彀并得到收益，极大改正了农人的坐褥糊口用电状况，同时发生了经济效益。
6 中邦乡下民居屋顶分散式光伏发电体例的境况效益和经济效益预测 6.1 境况效益
中邦幅员雄伟，各地的太阳能资源并不相像，单元光伏发电体例日发电量最低值为2.24 kWh/kWp，最高值可达5.75 kWh/kWp，天下均匀值为 3.88 kWh/kWp[17]。按这一天下均匀值举办估算，根本气象下光伏发电体例的年发电量可达492690 GWh，而踊跃气象下光伏发电体例的年发电量可达985380 GWh。
据邦度统计局的数据显示[18]，2019年中邦乡下用电量为948300 GWh[19]，若将潜力充溢阐扬，乡下民居屋顶分散式光伏发电可功绩乡下用电量的52%～104%，并能发生相当可观的境况效益，全部如外1所示，1 kWh光伏发电可勤俭圭臬煤 302.5 g[20]，并减排二氧化碳 832.0 g，以及裁减其他温室气体如二氧化硫、氮氧化物和碳粉尘的排放[21]。
若乡下民居屋顶分散式光伏发电体例采用“自觉自用、余电上彀”形式，遵守各地的勉励计谋，还能给农人带来可观的收入。乡下民居屋顶分散式光伏发电的收益重要来自3个方面：
2)节约的电费。体例所发电量自觉自用，用户不消交电费，勤俭开支等于加添收入。
3)卖电赢利。体例所发电量除自用外，余电上彀，价钱遵守本地燃煤脱硫机组标杆电价(各地域电价有所分别)企图。
本文正在计算出中邦乡下民居屋顶面积根本量的根基上，精确认识了影响乡下民居装备屋顶分散式光伏发电体例的各式要素，然后判袂针对根本气象和踊跃气象，对中邦乡下民居屋顶分散式光伏发电的装机容量潜力和发电量举办了预测，并认识预测了由此带来的境况效益和经济效益，由此讲明进展乡下民居屋顶分散式光伏发电可能推动乡下能源转型和助推屯子强盛。认识结果证明：根本气象下，中邦乡下民居屋顶分散式光伏发电的装机容量潜力为348 GW；踊跃气象下，装机容量潜力为696 GW。
(1. 寰宇资源探讨所(美邦)北京代外处，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. 云南日林新能源开辟有限公司，昆明 650041；4. 风能太阳能操纵技能省部共修哺育部试验室，呼和浩特 010051；5. 内蒙古绿能新能源有限仔肩公司，呼和浩特 010010)
本文由:猫先生提供
