基于市场定价的上网电价机制下农村家庭光伏系统的经济可行性与容量规划：以中国天津为例

　　摘要：在中国，农村地区长期以来一直是分布式光伏发展的理想区域。由于屋顶空间充足且预期能带来经济收益，农村家庭也对家庭光伏表现出浓厚兴趣。然而，2025年，中国可再生能源行业在“136”政策推动下进入了基于市场的交易模式。这一改革增加了投资回报的不确定性，给经济抗风险能力较弱的农村

　　摘要：在中国，农村地区长期以来一直是分布式光伏发展的理想区域。由于屋顶空间充足且预期能带来经济收益，农村家庭也对家庭光伏表现出浓厚兴趣。然而，2025年，中国可再生能源行业在“136”政策推动下进入了基于市场的交易模式。这一改革增加了投资回报的不确定性，给经济抗风险能力较弱的农村地区分布式光伏发展带来了挑战。本文建立了针对农村家庭光伏的定量成本效益分析模型，探讨在基于市场的交易模式下，光伏投资在何种情况下、何时以及以多大规模仍具有经济可行性。以中国天津用电量低、中、高的农村家庭为例，考虑光伏系统的成本与收益后，其用电的平准化成本从之前的固定补贴时期的-2.16元/千瓦时、-1.27元/千瓦时和-0.80元/千瓦时，上升到了基于市场交易后的0.28元/千瓦时、0.24元/千瓦时和0.26元/千瓦时。平准化成本由负转正，表明农村家庭光伏不再主要作为创收资产，其经济价值更多体现在降低家庭电费上，因为该数值仍低于零售电网电价。进一步分析发现，要实现这一目标，农村家庭需要根据自身的用电负荷情况谨慎安排投资时机，并确定合适的光伏系统规模，而非采用传统的全屋覆盖设计。本研究确定的 economic可行性阈值可为这些投资和规模决策提供实用依据。

　　引言：屋顶光伏系统被广泛认为是一种有望为建筑物提供清洁电力并助力其向低碳运营转型的技术[1]。近年来，中国安装的屋顶光伏容量增长迅速。2022年，屋顶光伏占中国新安装光伏容量的28%[2]。在强有力的政策扶持下，中国光伏产业从最初的农村扶贫应用迅速发展到全球领先地位[3]。自2013年以来，中国家庭光伏发展经历了三个主要的政策阶段，每个阶段的收益机制各不相同，如图1所示。在2013年至2021年的补贴期内，家庭光伏系统可获得基于发电量的补贴。因此，其经济回报与光伏系统的年度发电量紧密相关，这推动了屋顶光伏的快速部署。从2021年到2025年，随着国家补贴的逐步取消，家庭光伏进入了标杆上网电价时期。在此阶段，输送到电网的多余光伏电力会按照标杆燃煤上网电价进行收购。尽管直接补贴消失了，但固定的上网电价仍为农村家庭提供了相对稳定的收益预期[4]。2025年起，随着《关于深化可再生能源上网电价市场化改革的意见》（136号文）的发布，中国进入了基于市场的交易阶段[5]。在这一新阶段，光伏电力的出口收入由规定的上网电价和现货市场价格共同决定。这一改革使得家庭光伏的出口价格在很大程度上取决于电力市场的实时供需状况。

　　在基于市场的交易阶段，家庭光伏的上网电价具有三个主要特点。首先，平均上网电价低于之前阶段的标杆燃煤电价。其次，上网电价会根据电力市场的实时供需状况而变化。通常，白天的电价较低，而清晨和傍晚则较高，这与光伏发电的高峰时段存在结构性差异。例如，在山东的现货市场中，光伏发电高峰期的上网电价有时会降至极低水平，甚至出现负数[6]。第三，电价的变化具有较大的随机性，难以预测。因此，新的市场化上网电价机制给家庭光伏的收入带来了很大的不确定性。这种不确定性使得家庭光伏的经济效益变得不那么透明，可能阻碍其在农村地区的更广泛应用。为了支持家庭光伏容量的可持续扩张，有必要量化新市场交易模式下家庭光伏的经济效益。这项分析将为投资策略和系统规模选择提供依据，为家庭用户提供实际指导。具体而言，家庭用户需要明确了解在当前条件下光伏投资是否仍然有利可图，何时投资较为合适，以及应安装多大的光伏容量才能实现最佳经济回报。

　　目前关于家庭光伏经济效益的研究主要集中在补贴期和标杆上网电价期。在早期的补贴期内，基于发电量的补贴直接将家庭光伏的经济效益与屋顶的发电潜力联系在一起[7]。这一潜力主要由当地的太阳能资源、屋顶面积和电池板倾角决定。有研究[8]为中国各省份制定了太阳能发电曲线，以分析太阳能资源对太阳能发电成本的影响。研究结果表明，在悲观情景下，78.6%的省份，在乐观情景下，99.9%的省份能够实现低于燃煤电力基准价格的平准化电力成本。另有研究[9]评估了两种典型农村建筑类型——住宅和农场——的全屋光伏系统的经济潜力，发现在这两种情况下，只要存在补贴政策，这些系统都具有较高的经济吸引力。还有研究[10]开发了一种基于GIS的框架，用于识别适合安装光伏系统的屋顶区域。该框架在江苏省得到应用，用于在规划初期估算全屋光伏系统的年发电潜力。另有研究[11]将城市建筑能源模型与GIS数据相结合，分析相邻建筑物的遮挡如何影响光伏发电潜力及屋顶光伏的经济效益。还有研究[12]发现，每年在冬季和夏季调整两次光伏电池板的倾角，可使发电潜力提高约7%。这一方法无需额外投资即可提升屋顶光伏的经济效益。

　　补贴取消后，家庭光伏进入了标杆上网电价期。虽然发电补贴已不复存在，但由于光伏组件的成本大幅下降，且输出的电力仍能以相对稳定的上网电价获得补偿，家庭光伏依然具有较高的经济吸引力[13]。这一时期的许多研究都集中在分布式光伏能否实现电网平价，即光伏电力的平准化成本是否能够等于或低于无补贴条件下的传统发电成本[14]。在上网电价模式方面，家庭光伏系统通常采用“自用剩余电量并网”的方式。因此，其经济价值来源于两个方面：减少电力购买所带来的节省，以及出售光伏电力所获得的收入。在各国和各地区，光伏电力的结算通常通过净计量或净计费方式实现[15][16]，不过价格水平和结算规则有所不同。在中国，多余的光伏电力一般会按照标杆燃煤上网电价进行收购，这为家庭光伏投资者提供了稳定的收益预期[17]。在这种收益结构下，两个价格信号成为决定家庭光伏经济效益的关键因素。首先，零售电价会影响自用光伏电力所带来的电费节省。例如，有研究[18]指出，在分时电价制度下，光伏发电往往恰好处于用电高峰和高峰前的时段，这使得家庭能够比在统一费率制度下获得更大的成本节省。还有研究[19]发现，与按用电量千瓦数计费的容量电价相比，按峰值功率千瓦数计费的容量电价会使家庭光伏系统的等效年成本增加近10%。其次，上网电价直接决定了将多余光伏发电量并网所获得的收入[20]。有研究[21]假设农村屋顶光伏系统为50%自用、50%并网的模式，利用各省电网公司公布的固定标杆上网电价，计算了电力的平准化利润。研究结果表明，只要标杆电价稳定且足够高，中国344个城市中有92.73%的城市能够实现正的净利润，平均净利润为0.13元/千瓦时。

　　家庭用电需求与光伏发电之间的时间匹配程度决定了有多少光伏电力会被自用，多少会被并网。因此，了解家庭的用电负荷特征对于估算光伏自用率及评估家庭光伏的经济效益至关重要。然而，详细的家庭用电数据往往难以获取。正因为如此，许多研究都采用固定的自用率假设[22]，或者使用简化版的负荷曲线，而这些曲线可能无法准确反映实际的家庭用电特征[23][24]。这一限制在涉及较大范围区域的研究中尤为突出。有研究[25]指出了一个常见的矛盾：基于GIS的方法可以估算区域内的光伏发电潜力，但它们很少包含高分辨率的家庭用电数据[26]。还有研究[27]强调，仅依靠年度的用电量和发电量数据，就无法准确反映实际的自用情况，从而会影响对家庭光伏经济效益的评估。因此，为了更准确地评估屋顶光伏的经济效益，逐小时记录的光伏发电数据和家庭用电数据变得越来越重要[28]。

　　在基于市场的交易阶段，最大的变化在于家庭光伏并网电力的上网电价不再是固定的，而是越来越由市场供需状况决定。一些欧洲国家比中国更早进入这一转型阶段。然而，针对基于市场上网电价下的家庭光伏经济效益的定量评估仍然十分有限。有研究[25]指出，在向市场化交易模式过渡期间，意大利的光伏投资出现了显著收缩。还有研究[29]重新评估了德国在基于市场上网电价下家庭光伏系统的经济可行性，发现市场上网电价的不确定性和波动性可能会使家庭光伏失去经济吸引力。另有研究[32]也指出，动态的上网电价使得出口收入具有时间依赖性。在每个时间间隔内，光伏电力的出口收入既取决于出口的电量，也取决于相应的上网电价。因此，要评估市场交易阶段家庭光伏的经济效益，就需要准确把握光伏发电、家庭用电负荷以及上网电价之间的时间匹配关系。准确把握这种时间匹配关系，是重新评估市场交易模式下家庭光伏经济效益的核心挑战。

　　综合来看，这些研究揭示了一个明显的研究空白：在基于市场的交易模式下，家庭光伏的经济效益尚未得到充分重新评估。现有的研究尚未完全回答三个实际问题：家庭光伏是否仍然具有经济吸引力，它能带来怎样的经济效益，以及家庭应该如何确定光伏投资的时机和规模。这一研究空白对于农村家庭光伏尤为重要，原因有三。首先，农村地区非常适合部署分布式光伏，因为农村的建筑物通常受遮挡现象的影响较小，而且往往拥有充足的屋顶空间。其次，农村家庭的财务抗风险能力较弱，也难以获得专业的技术决策支持，因此他们需要更明确的指导来降低投资风险。第三，针对农村家庭的光伏效益评估仍然十分缺乏，这主要是因为农村家庭的用电负荷特征难以获取和描述[30]。因此，很少有精细的经济效益评估能够反映实际的农村家庭用电负荷情况，尤其是在基于市场上网电价的情况下。这种定量证据的缺失也为农村光伏的推广带来了实际障碍。尽管鼓励农村家庭安装光伏系统，但在新的市场定价机制下，他们往往缺乏关于预期收益、投资时机以及合适系统规模的清晰信息。

　　为了解决上述问题，我们建立了一个基于模型的框架，用于量化市场交易模式下农村家庭光伏的经济效益。为了展示在新机制下光伏经济效益的变化情况，我们将农村家庭光伏的效益与补贴期以及标杆上网电价期的效益进行了比较。通过对比，我们可以了解农村家庭光伏的经济价值是如何随时间变化的。为了为市场交易模式下的投资策略和系统规模选择提供支持，我们进一步构建了一个数学优化模型。通过针对不同的市场设计参数和价格场景进行模拟，我们得出了农村家庭光伏系统的最优容量配置规则。这些规则为家庭提供了关于何时投资以及如何确定光伏系统规模的实用指导。本研究的主要贡献如下：(1)我们构建了一个涵盖整个政策周期的框架，用于评估农村家庭光伏的经济效益。该框架整合了补贴期、标杆上网电价期以及市场交易期内的成本、电价和结算机制等相关参数，能够全面、连贯地分析农村家庭光伏价值的变化趋势，帮助家庭在新的定价机制下形成更现实的预期。(2)我们为农村家庭建立了逐小时的年度用电负荷曲线，以便在动态上网电价环境下更准确地评估光伏系统的经济效益。基于在天津的实地调查，我们确定了三种具有低、中、高电力消耗水平的典型家庭类型。通过分析这些家庭的电器拥有情况以及日常用电行为，我们得出了它们的每小时负荷曲线。这有助于我们把握光伏发电与家庭用电需求之间的时间匹配关系，从而更准确地估算出电力出口收入以及电费节省额。(3)我们为农村家庭的光伏投资提出了一个经济可行性阈值以及容量确定决策图。通过敏感性分析、不确定性分析以及数学优化，我们在不同的天气条件、负荷水平、电价机制和市场环境下模拟出了最优的光伏系统配置方案。这些结果被转化为实用规则，为家庭在基于市场的交易体系下判断何时投资以及应安装多大的光伏容量提供指导。总体而言，本研究着眼于那些虽被鼓励采用光伏系统，但却往往缺乏明确且易于理解的投资决策指导的农村家庭。在中国，农村地区的光伏应用是低碳能源转型的一部分，但这类家庭可能面临更高的财务风险，同时也难以获得足够的技术决策支持。因此，有必要有一些简单可靠的规则，帮助他们判断是否值得进行光伏投资、何时投资以及应安装多大的系统容量。通过将基于模型的优化框架转化为实用的投资和容量确定规则，本研究为农村家庭在基于市场的交易体系中提供了低门槛的决策支持，同时也有助于弥合政策推动下的光伏应用与家庭层面投资决策之间的差距。本文的其余部分结构如下：第二节介绍了各个政策阶段下家庭光伏系统的评估方法，以及分析中所使用的情景数据。第三节从经济影响、关键驱动因素、合适的投资时机以及家庭系统设计策略四个方面对研究结果进行了分析。最后，第四节对研究进行了总结，指出了该模型的局限性，并提出了未来的研究方向。

　　为了解答农村家庭能从光伏系统中获得哪些好处、何时应该投资以及如何确定系统规模等问题，本研究提出了一种基于模型的技术经济分析框架，如图2所示。首先，该框架考虑了影响家庭光伏系统经济性的三个主要因素：区域光伏发电潜力、家庭用电需求以及能源价格和成本。区域光伏发电潜力决定了每年的电力产量……

　　图12展示了在三个不同政策时期——补贴期、基准上网电价期以及基于市场的交易期——家庭光伏系统的最佳设计是如何变化的。彩色曲线分别代表低、中、高电力消耗水平的家庭。从上到下，图12显示了最佳屋顶光伏安装面积、电池与光伏系统的容量比例以及逆变器与光伏系统的容量比例。在横轴上，P1-P9表示补贴政策中的关键阶段……

　　在基于市场的交易体系下，农村家庭光伏系统的经济价值变得不那么明确，而且这些家庭在系统规模确定和投资决策方面也缺乏简单的指导。本研究针对基于市场结算机制的家庭光伏-蓄电池系统开发了一个优化模型。通过敏感性分析和不确定性分析，我们找出了影响系统经济性的主要因素，并研究了最佳容量确定以及平均用电成本如何随着各种因素的变化而变化……

　　牛杰德：写作——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、形式分析、概念构建。李晓远：写作——初稿撰写、可视化处理、验证、软件应用、方法论设计、形式分析、概念构建。卢亚凯：调研、概念构建。田哲：监督、资源协调、资金获取、概念构建。张宇：调研、数据整理。赵晨阳：调研、数据整理。

　　本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFE0199300）、中国国家自然科学基金青年科学基金项目（编号52108085）以及天津大学交叉学科中心新兴前沿培育计划（编号8）的支持。