农村能源革命与微电网建设

杨旭东 清华大学建筑学院清华大学建筑节能研究中心中国农村能源行业协会2026年5月21日 01农村用能侧转型与关键技术02农村电气化与光诸直柔微电网示范案例03总结与政策建议 农村用能侧转型与关键技术 农村能源革命的内容和意义 建立农村新型能源系统是实现双碳自标、促进农村生态治理、乡村振兴的重要基石。既符合国家战略需求，又反映人们对绿色可持续的生活理念的向往。 脱贫攻坚自标达成后，我国三农”工作重点向全面推进乡村振兴战略转移，农村能源转型是促进农村产业发展和农村生态治理的主要手段，更是实现乡村振兴战略的重要基础。 56个县（市、区）全面实现“整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点”工作目标。进一步推进农村分布式可再生能源开发利用，有序开发，就地消纳 全国大规模农村用能调研 2006~2007年，组织第一次大规模农村能源环境调研 时间：2006年~2007年，700名清华学生对象：北方15个省份88个县，南方9个省份62个县内容：调研内容涉及农宅形式、能耗、经济收入等相关情况 《中国建筑节能年度发展研究报告2008》，中国建筑工业出版社 首次全国大规模调研 散煤成为农村用能的主体户均煤耗达到1.5~3吨/年，建筑保温性能及室内舒适性差清洁化率低：散煤直接燃烧向室内外释放大量的污染物 农村用能侧转型：无煤生态村 去煤、减污、降碳，提升舒适水平 无煤特征： 不使用燃煤，而是以空气热能、太阳能、清洁生物质等可再生能源解决全部或大部分采暖、事和生活热水用能。不足时，用少量的电、天然气等清洁能源进行补充，同时采用电网的电力满足农宅用电的正常需要（照明、家电等）。 宜居特征： 节能特征： i口农宅满足与农村地区居民相适应的热舒适要求口良好的室内外空气及生态环境 口农宅围护结构具备良好的节能性能。口从源头减少能源消耗 《中国建筑节能年度发展研究报告2012》，中国建筑工业出版社 《中国建筑节能年度发展研究报告2016》，中国建筑工业出版社 北方“无煤村”实现途径 “无煤村”基础支撑农宅能效提升(2006-2014年） 2006年开始，北京市率先支持开展此类研究和示范工作。2006~2010，在北京不同郊区20多个村开展示范研究，共500余户此后成为北京市长期发展政策，每年推广5-8万户，已累积推广100余万户 北京房山二合庄实际改造效果测试 农村建筑节能相关标准 《农村单体居住建筑节能设计标准》中国工程建设标准化协会，CECS332：2012） 《农村居住建筑节能设计标准》（国家标准GB/T50824-2013) ■新建农宅：建议满足标准要求节能改造：全部满足节能标准要求：改动量大，初投资高，节能效果好（40~50%）部分满足要求：找出薄弱环节，初投资低，容易实施，效果适当（~30%） 《Nature》、CCTV等对北方既有农宅节能改造的报道 KickingtheCoal Habit,Nature,Vol.454,p391,2008节能中国，CCTV10 燃气壁挂炉采暖系统？（管网投资高、运行费高、安全隐患） 项目地点：热源类型：22kW国产燃气壁挂炉供暖室内末端：地板采暖建筑面积：118m采暖季燃气壁挂炉平均热效率：85.15% 测试结果： 冬季室内平均温度20℃；燃气消耗总量约1391m，年采暖运行费约4006元，折合单位面积采暖费用为33.9元/m示范户初投资总成本为1.5万元 运行费高、农村电直热采暖？配电网增容难 能效低：COP最大为1，且蓄热式电采暖器放热特性固定且不可控，与建筑热负荷特性不匹配 ■外电源需求大：电力负荷需求（户均9kVA以上），需要大规模电网扩容 安全隐患：采暖器表面温度过高（可接触表面温度60~95℃)。 需求与挑战我国乡村建筑用能的特点、 北方农村清洁取暖“四一模式 目标：清洁、节能、低碳、舒适 约束：百姓能承受、政府能承受资源能承受 总投资：1万元年运行费：1干元使用：1键式推广：1规划 “四一模式”VS“常规方案” 与全外保温改造比，围护结构节能改造：25000元/户下降到4000~5000元/户 设备初投资：15000元/户下降到4500~8000元/户，减少50%~60%年运行成本：3000元/户下降为1000~1500元/户，减少50%~67%未来减碳空间、基础设施投入及使用率、能源保障、用能安全等。 技术创新：按需靶向保温”提升保温效果和经济性 农宅不同的保温改造方案为“菜品”，用户根据预算、需求选取最优方案通过线性规划算法解决了方案选择、节能效果与成本的博奔问题 方案①和方案③初投资虽相同，节能效果却差了15% 开发适合部分时间部分空间、高效可靠好用的电气化取暖设备 解决寒冷及严寒地区热量需求量大时制热量不足和低温工况下运行可靠性差的技术难题 （热风机）低环境温度空气源热泵技术 ■优化制热气流组织，双风口、落地式室内机即开即用、人走关机、按需调温、经济节能■满足超低温室外温度下正常供热需求，兼顾夏季制冷 上出风口：人活动区域，实现空间快速供暖下出风口：脚踝区域，实现地暖式供暖 ·初投资（约0.4万元/台）能效高（北京季节能效比≥3.0）。配电要求低（每户2~4kVA） 2017-2022年期间，共有88个城市进入北方清洁取暖行动计划 截至2022年底，累计完成散煤替代约3700万户，年减少散煤约7000万吨 散煤治理措施对通道城市PM2.5下降的贡献率达到1/3（生态环境部） 农村电气化与光储直柔微电网示范案例 农村能源的未来：传统化石能源退出电气化及新型能源系统全面建立 用能侧：电气化（取暖、炊事、空调、家电、照明、交通、农机） ■产能侧：绿电（自产自用多余有序输出）+清洁生物质等（输出零碳能源） 自标：从化石能源转为低碳能源结构，率先实现电气化和低碳化，争做双碳优等生 ·为解决能源安全做贡献为实现双碳目标做表率为根治大气污染做保障 （基于卫星图像大数据）全国农村屋顶光伏/生物质资源图谱 全国农村屋顶面积约为273亿m，考虑安装等因素后装机潜力约为20亿KW，年发电潜力2.5万亿kWh全国农村生物质资源量折合标准煤约6.3亿tce 农村是放弃自身优势，继续“从外部输入大量能源”还是探索“从能源消费者到能源产消者”的转变？ 红区农村分布式光伏开发现状和问题 红区：被标注为无法增加光伏装机容量的区域 >1农村消纳能力有限，发电远大于用电>2农村变压器的容量有限，承受不了过多的光伏电力；3光伏电力具有强烈的波动性和反调峰性，大量入网增加电网调度压力 关键技术：基于“光储直柔”农村新型分布式能源系统 清华大学江亿院士提出“光储直柔”分布式系统，被纳入国务院《2030年前碳达峰行动方案》等文件 优先户内及村内消纳，余电有序上网；减少变压器扩容压力，“红区”变绿；将农村从能源的消费者转化为能源的产消者。 农村新型能源系统示范案例 示范地点：山东东营市罗盖村首批光储直柔示范参与农宅25户和一个展厅，屋顶光伏总装机约270kW。房间进行直流化改造，包括直流空调、直流风扇、直流电视、直流冰箱、直流台灯以及直流插座。储能系统包括户内电池储能以及村级电动农机具储能，可拓展电动汽车、其他小型农具储能。 农村新型微网系统示范村建设 关键技术指标： 1.光伏装机容量是电力系统与变压器交互峰值功率的1.6倍以上； 2.电力系统光伏自满足率在70%以上； 农村新型能源系统示范案例 晴天工况： 1光伏电力首先送入户内储能和电器；2.余电送入村级母线被公共负荷和集中储能消纳，3.多余的电力送入电网 阴雨/多云工况： 1光伏电力首先送入户内储能和电器（基本全部消纳）；2.村级储能释放电力满足村子用能需求，3.母线从市政电网少量取电维持母线电压稳定（阴天） 农村新型能源系统示范案例 1难点2：农村建筑的分布特点是“量大面广”，如何降低控制系统的成本？ 难点1：光伏具有波动性，与农1宅电负荷不匹配，如何直接消纳！光伏电力，尤其是解决供暖难题？ 1难点3：如何增强储能、提高系统灵活性和经济性？ 1.直流微网优化设计：2.分布式自适应的基于母线电压信号的控制策略 1.加强户内储能，改善供需匹配2.充分利用免费储能资源，实现每户50~60kWh储能能力 1.用能全面电气化；2.采用具有灵活性的高效电驱动衣宅供暖设备 农村新型微网系统示范村建设 建立“电动农机+换电柜”与电力系统交互实验展示平台 总结与政策建议 农村新型微网系统促进农村全面电气化、率先实现碳中和 (理想场景）农村新型能源系统发展预测 5退出 散煤直接燃烧生物质火电 (高碳)液化石油气天然气 3前进： 太阳能、风能清洁生物质能其他可再生能源 农村能源可为国家整体碳达峰和碳中和战略贡献~15亿吨/年的减排潜力！ 政策建议 1.建立“农村新型能源系统建设”跨部门工作联动机制。建议国家相关部门从整体上确定分口，为乡村振兴和高水平践行“千干方工程”，做好“十五五”系列顶层设计与规划。 政策建议 2.加强技术研发，推广适宜的农村屋顶光伏系统、光伏采暖、光伏消纳技术设备。将光伏就地消纳比例作为分布式光伏系统的评价指标。面对光伏发展红区，驱需由“直接逆变上网”模式转为“优先自发自用”模式，发展“产储调消一体化”的光储直柔系统形式。 ！在不同地区建成300-500个光储直柔新型低碳/零碳示范村，通过光储直柔微网和各类新型用电末端技术研发和示范项目，探索在不同经济发展水平、地理条件、气候特点、农业生产性质的地区，建成新型能源系统的适宜技术路线与机制。 政策建议 3.加速电力基础设施增容改造，多措并举提升农村电气化水平。结合“农机电气化”积极推广电动农机具产品，提升农村用能电气化水平并尽快实现农户户均拥有50干瓦时储电能力的目标增加农村电力系统的安全性和柔性调节潜力。 ！结合“家电下乡”“大规模设备更新和消费品以旧换新”等政策，推广农村家庭用能电气化（包括电热泵采暖、电炊事、电热水器等）和储能设施进农村，结合“新能源车下乡”等政策推动农村电动车普及 政策建议 4.完善光伏上网价格激励机制，强化金融保障和技术支持措施，为了激活农村的灵活用能资源和分布式储能资源，核心应使农民拥有屋顶光伏系统的产权，并享受光伏发电上网的经济收益。建议将农村光伏电力纳入绿证发放体系，根据其上网发电量获得绿证，并进入市场交易。 集中采购、统一指导，分户在技术员指导下自行安装的推广模式，大幅度降低采购、安装和管理成本； 政策建议 5.培育农村低碳能源新产业新业态，拓宽农民增收渠道，实现能源惠农。在农村建立太阳能、生物质加工、可再生能源基础产业，发展农村能源基础设施、服务设施、培训设施 由国家投资并组织以村为单位建立生物质加工点，采用代加工模式，收集生物质材料进行加工并自行销售。 通过农村新型电力系统的建设，带动光伏、蓄电池、电力电子器件、直流配电与保护器件、、电动汽车和电动农机具产品等相关产业。 谢谢！ 敬请提出宝贵意见！xyang@tsinghua.edu.cn