太阳能屋顶就是可分别安装在每座独立住宅建筑上的并网光伏发电系统。目前,城市中太阳能屋顶尚有经验可以借鉴,而农村太阳能屋顶在我国还非常少,如何大面积推广,值得进一步研究和探讨。我国华北一带农村人口密集,用电需求大,地区光照时间长、强度高。房屋建造者属于改革开放后中国第三代、第四代农村劳动者,多数房屋质量比较好,房屋居住面积比较大,随着农村生活水平的提高,其用电量逐年提高。而太阳能技术的不断提升,建设成本的不断下降,为实施农村太阳能工程提供了必备的条件。然而这一带土地紧张,农业发达,是我国粮食主产区,客观上成为制约太阳能电站发展的瓶颈。粗略估计,装机1MW的太阳能发电工程至少需要4260rn2的土地面积,折合是400亩、26公顷的土地。这对人均1.4亩土地的华北农村来说是难以接受的。而利用这一带密集的村落和斜坡式的屋顶恰好为解决这一问题提供了可能,如果与农村居住者达成可靠的合作方式,极有可能成为太阳能发电新的发展方向。
自然村的密集度
我国华北一带包括河南、河北、山东、山西等省份,居住着3~4亿农村人口,大约8000万户家庭。光伏屋顶可利用面积大约40亿m2,太阳能屋顶工程具有广阔的空间。在华北乡镇的周围散布着大量的农村村落,这些村不但密集,随着人口的增长,村与村逐渐成相连的趋势。村落的密集发展意味着有更多的太阳能屋顶可以利用。初步测算,按照华北地区自然村落屋顶的规模,可以建设一座装机总容量10MW的太阳能光伏电站。可见,自然村的密集是开展农村太阳能屋顶工程的先天条件。
可利用面积估算
我国北方农村民居基本为平房,面积宽广,房顶大多采用传统的斜坡式房顶。房屋墙体多采用砖混结构,承载力较好。屋顶采用瓦式结构,其承压能力较强。房屋的使用年限一般都超过20年以上。院落当中也有相当部分闲置面积,同样可以利用。
房顶面积的计算:农村院落的正房一般为4~5间平房,南北朝向,长约12m~20m,宽约6m,因此房顶阳面面积大致估算为48m2~60m2,取平均为54m2。以一个自然村100户(实地调查平均)计算,屋顶可利用面积为5400m2。
院落内的闲散面积计算:假定每户院落内另有10m2的可利用闲置面积,一个自然村可增加1000m2的面积,因此一个自然村的总的可利用装机面积约为6400m2。
假定建设一座装机总容量10MW的太阳能光伏电场,需要42600m2,那么就可以覆盖到6~8个自然村。实际上,这些村落村村相连,村与村之间的距离非常短,为太阳能屋顶建设提供了方便。农村院落民居面积虽有差别,但基本情况相差不多,因此估算基本符合实际情况。
辐射资源的评估
太阳能屋顶发电作为人们对太阳能利用的一种方式,电能产生的过程中无燃料消耗,是一种环保、清洁的可再生能源。按接受太阳能辐射量的大小,我国太阳能辐射量的区域大致上可分为五类:一类地区,年日照时数3200~3300小时,辐射量670~837 kJ/cm2.yr。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地;二类地区,全年日照时数为3000~3200小时,辐射量在586~670 kJ/cm2.yr。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东甫部和新疆南部等地;三类地区,全年日照时数为2200~3000小时,辐射量在502~586 kJ/cm2.yr。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地;四类地区,全年日照时数为1400~2200小时,辐射量在419~502 kJ/cm2.yr。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区;五类地区,全年日照时数约1000~1400小时,辐射量在335~419kJ/cm2.yr。主要包括四川、贵州两省,此区是我国太阳能资源最少的地区。一、二、三类地区,年日照时数大于2000h,辐射总量高于586 kJ/cm2.yr,是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区,面积较大,约占全国总面积的2/3以上,具有利用太阳能的良好条件,适宜使用光伏发电系统。华北地区实质上就属于是我国太阳能资源较丰富的二、三类地区。
基础结构及施工问题
华北一带农业发达,基本实现村村通,混凝土路面与乡镇公路相连接,大型农机都可以顺利通行,房屋前后之间有足够的距离供大型吊装车辆通过。工程用的主要建筑物材料如钢材、水泥、沙料等均就近采购运输,当地货源充足、采购方便。所有建筑材料均可通过公路运至工程现场。调查发现,作为光伏基础的农居屋顶具有很好承载力。这是由于农村房屋建造过程中,考虑了多种因素,且为自住房屋,质量有保证,使用年限长。由于计划安装光伏系统的房屋已经落成,建筑结构不易变动。在施工当中应当注意:不改变原有建筑物结构(如屋顶的防水、电气管线等),应根据房屋的结构和特点合理施工;不影响居住的前提下,尽可能的多安装组件;最大限度降低屋顶的承重;安装施工维修方便;充分利用其他空闲面积,使经济效益最大化。
由于是农村民居,遇到一些特殊问题应特殊对待。施工区域内因地制宜,不能照搬集中式太阳能电场的模式经验。材料加工及混凝土搅拌和设备堆放场地、库房、办公场地等都要适应当地特点。施工的用电和用水问题都要与村委及乡镇政府协调解决。
施工安装工程主要有:站区内太阳能电池支架安装、逆变器、控制器、变压器、配电箱柜等电气设备安装和(高)低压配电室电气设备安装、电缆敷设以及整个系统安装、调试和并网发电。另外,还有一些重要的工程,如接地防雷工作。农村施工特殊,施工期间要保证农民及工作人员的人身、财产安全,合理安排建设工期。
农村太阳能屋顶接入问题
国家电网公司2012年10月26日召开服务分布式光伏发电并网新闻发布会正式发布《关于做好分布式光伏发电并网服务工作的意见》,《意见》并于2012年11月1日正式实施。根据《意见》精神,6MW以下免收接入费用,分布式光伏发电免收系统备用费,支持分布式并网,并将并网权限下放到地市一级,分布式光伏接入公共电网的改造及接网工程由电网公司负责,全额收购富余电力。因此说,光伏产业不仅有国家政策的支持,还将得到国家电网实际的支持,对整个光伏产业是一个非常好的发展机遇。
相比集中式太阳能光伏的优势
1、节约土地资源。这在前面的论述中已经阐述。
2、利用农村固有的优势或潜在优势。农村有大量的劳动为,熟悉当地地理环境,人文风俗,可以充分调动农业人员的积极性,形成良好的协作关系。
3、相比城市屋顶工程成本更节约。农村太阳能屋顶简单易行,屋顶设施少,后期运营维护简单。
4、类似于分布式电站,接入灵活。
5、更容易争取到财政补贴。
6、有利于扩大规模。
农村太阳能屋顶既有分布式光伏发电的特征,又可做成类似于集中太阳能电场分块发电、集中并网的光伏发电站接入系统方案。农村太阳能屋顶工程既符合当前光伏产业面临的形势,又符合当前国家电网关于分布式光伏发电并网的精神。实际上,农村太阳能屋顶在国家政策的支持和市场及企业的精心培育下,若能形成良性循环,存在巨大的发展空间和潜力。
合作模式的探讨
农村太阳能屋顶的实施与农村用电合作模式分不开,毕竟要涉及到农民的切身利益,在利益上要做到均衡。既要考虑企业的效益问题,也要考虑农民的利益和积极性问题,利益上不能均衡必然导致太阳能屋顶工程难以实施。另外,农民在社会结构中处于弱势地位,尽量避免一些敏感事项介入。