揭示家庭太阳能系统在马拉维农村地区实现能源供应方面的规模、应用及其影响力

《Energy Research & Social Science》：Shining light on the scale, use, and impact of household solar for achieving energy access in rural Malawi

马拉维农村家庭太阳能设备容量与使用模式影响分析。通过两次调查和能源预算法发现小容量设备（<5W）主要用于充电，减少旅行时间50%，增加照明35-50小时/周，提升生产活动3.5小时，但未达到SDG7目标。建议政策应关注设备容量与使用模式，优先推广50W以上模块化系统。

　　

瑞安·麦考德（Ryan McCord）|卡特琳娜·E.B.比奇（Katerina E.B. Beach）|安德里亚·马修（Andrea Mahieu）|塔比·奇隆戈（Thabbie Chilongo）|查尔斯·朱姆贝（Charles Jumbe）|帕梅拉·贾格尔（Pamela Jagger）

杜克大学桑福德公共政策学院（Sanford School of Public Policy）与尼古拉斯环境学院（Nicholas School of the Environment），地址：201 Science Dr, 达勒姆，北卡罗来纳州（Durham, NC），邮编27708，美国

摘要

全球有超过7.6亿人缺乏电力供应，主要集中在撒哈拉以南非洲地区。离网太阳能技术是实现电气化目标的关键，但现有研究大多将所有类型的太阳能应用视为等同的，没有区分系统容量和家庭使用模式。这掩盖了一个重要的政策问题：小型太阳能设备是否能有效推动全球能源普及的进程？还是需要更大的容量和特定的使用方式才能真正改善家庭福祉？我们利用来自马拉维1030户农村家庭的两次调查数据，结合差异差异估计（difference-in-differences estimates）、创新的能源预算分析（energy budgeting exercise）和潜在类别分析（latent class analysis），来评估家庭如何使用能源以及设备容量对家庭生活的影响。结果显示，小型太阳能设备（功率小于5瓦）主要用于手机充电，减少了充电相关的出行时间（平均减少1小时以上），增加了照明时间（每周35-50小时），并提升了生产活动时间（3.5小时）。我们的研究指出，如果不考虑设备容量，仅追踪太阳能应用情况可能会高估实现可持续发展目标7（为所有人提供现代能源）的进展。因此，国家调查应报告设备容量和使用情况，电气化策略应优先考虑经济实惠、模块化的方案，帮助家庭至少达到第二层级（功率大于50瓦）的电力供应水平。只有围绕容量和使用情况制定政策，才能确保离网太阳能产品真正带来社会和经济效益。

引言

电力供应几乎是实现联合国2030年可持续发展目标的所有途径的基石，但全球仍有7.6亿人无法在家中接入电力[1]、[2]、[3]。其中80%的缺电人口生活在撒哈拉以南非洲（SSA），主要集中在偏远农村地区[2]。由于基础设施扩展成本高昂、连接率低以及公共资源有限，扩大国家电网的速度很慢且成本高昂。因此，从小型太阳能灯到大型太阳能家庭系统等各种分散式太阳能技术已成为针对农村地区的电气化核心方案。政策制定者、捐助者和私营企业越来越倾向于使用离网太阳能技术，以缩小能源获取差距，实现可持续发展目标7中提出的目标——为所有人提供负担得起、可靠且现代的能源。

与此同时，过去十年里，随着太阳能价格下降和新商业模式的出现，全球范围内对太阳能技术的需求持续增长[4]。太阳能家庭系统的销量从2015年的不到100万套增加到2022年的近600万套[2]。在撒哈拉以南非洲地区（占全球销量的70%），估计有18%原本无法用电的家庭通过太阳能技术获取照明、为电池充电以及为小型电子设备供电[2]。尽管太阳能技术的迅速普及被视为进步的标志，但其通过增加能源服务带来的广泛社会经济影响仍不明确[5]、[6]、[7]、[8]。

现有研究往往将太阳能应用简单视为一个二元指标，而没有区分设备的容量或家庭的实际使用方式[7]。实际上，只能用于手机充电的太阳能设备与能够为多个灯具和/或电器供电的设备所提供的服务和效益是不同的。此外，家庭在分配有限电力时存在差异[1]、[6]：他们可能优先考虑户外照明以保障安全，或用于室内照明以完成家务，或直接将电力用于创收活动，每种用途都会对家庭产生不同的影响。在研究和政策制定中如果不同时考虑容量和使用模式，仅追踪应用情况可能会掩盖家庭实际获得的效益和未满足的能源需求。

我们研究了马拉维这种位于非洲南部的内陆小国中，不同容量和不同使用方式的太阳能设备所带来的影响。该国的农村地区电力普及率仅为5.6%[2]，由于发电能力有限和国家电网基础设施薄弱，扩大电力供应面临持续障碍[9]。与肯尼亚等地区领导者相比，马拉维在私营部门主导的电气化方面相对不显眼，但它已成为太阳能家庭市场的重要参与者，在撒哈拉以南非洲地区太阳能企业数量上排名第六[11]，其太阳能设备拥有率从2010年的不到1%上升至2019年的20%[12]、[13]。这一现象表明，研究马拉维的太阳能发展可以为其他撒哈拉以南非洲国家提供有价值的政策启示，包括那些传统上不被视为技术应用和私营部门驱动能源转型领先者的国家。

虽然马拉维及其他撒哈拉以南非洲地区的应用趋势令人鼓舞，但仍需评估太阳能技术是否能充分满足家庭的能源需求。马拉维的全国家庭调查数据并未明确说明所使用太阳能系统的容量，但该地区大多数太阳能设备的容量较低（6-100瓦特[15]、[16]）。在之前使用我们样本的研究中，采用太阳能技术的马拉维农村家庭拥有的设备平均容量为6瓦特[17]。虽然小型太阳能解决方案能提供关键能源服务，但其容量限制可能限制长期的经济和社会发展机会[18]、[19]、[20]。能源部门管理援助计划（ESMAP）的多层级框架（Multi-Tier Framework，MTF）提供了一种全球公认的衡量能源获取的方法，超越了传统的二元指标，评估了包括容量、持续时间、可靠性、可负担性和安全性在内的多个维度[21]。马拉维政府将“最低服务水平”定义为具有手机充电功能的太阳能家庭系统（MTF分类中的第一层级，功率为3-50瓦特[10]）。小于3瓦特的小型设备（如太阳能灯）无法达到足够的电气化标准。第二层级（50-200瓦特）的系统可能为家庭提供额外服务，但将第二层级设为最低标准会增加融资需求。

为了更好地理解不同容量和使用模式下的家庭体验，我们提出了以下问题：（1）太阳能设备的容量如何影响家庭可获得的能源服务？（2）家庭如何分配有限的电力供应？（3）容量和使用模式如何影响太阳能应用对家庭福祉的影响？

为回答这些问题，我们分析了在马拉维利隆圭市（Lilongwe）两个传统行政区域（Traditional Authorities）收集的两轮家庭面板数据。我们通过创新的能源预算分析方法详细测量了家庭能源使用情况，将能源来源与服务和活动联系起来。通过这些数据，我们识别出不同设备容量对家庭能源服务的影响，并使用差异差异估计方法分析了设备容量如何解锁不同的能源效益。我们的研究结果揭示了太阳能设备容量的关键阈值，该阈值决定了设备能否为家庭带来预期的效益。这一发现有助于更准确地衡量太阳能应用情况、设备的特性/容量，以及评估可持续发展及电气化目标的进展。

研究区域和样本选择

我们在马拉维利隆圭市周边农村地区进行了两轮家庭面板调查，两次数据收集时间相隔一年（2022年7月/8月和2023年）。过去十年间，该地区的太阳能设备拥有率迅速上升（图2）。

研究对象包括来自两个传统行政区域（TAs，马拉维的行政单位，低于区级）——马泽格拉（Mazengera）和奇穆图（Chimutu）的家庭。选择这两个区域是因为它们在人口密度和地理距离上具有代表性。

结果

我们按采用情况对样本（N=1,030）进行了描述性分析（表1）。最终，21%的样本家庭拥有太阳能设备；正如预期的那样，采用太阳能设备的家庭总功率明显高于未采用的家庭（分别为30.5瓦特和2.7瓦特）。拥有太阳能设备的家庭拥有更多的照明时间（7.8小时 vs 5.0小时）和高质量照明时间（3.9小时 vs 0.7小时），并且用于手机充电的出行时间显著减少（1.7分钟 vs 8.3分钟）。

讨论

我们分析了马拉维农村家庭使用太阳能设备的情况和影响。该国的做法反映了整个非洲农村地区将太阳能作为增加基本电力供应和服务核心策略的趋势。我们的创新能源预算分析方法收集了可在其他情境中复制的详细数据。基于这些数据，我们发现了家庭使用太阳能的多样化模式。

结论与政策建议

撒哈拉以南非洲地区的太阳能设备拥有率持续快速增长。在马拉维农村，五分之一的家庭拥有太阳能设备，这一比例与其他撒哈拉以南非洲国家相似。然而，我们的研究表明，太阳能应用带来的效益很大程度上取决于设备容量和使用方式，这对政策制定和未来研究有三个重要启示：

首先，我们的结果再次强调了二元化应用指标无法反映家庭的真实体验，国家调查和监测系统应更全面地捕捉这些信息。

作者贡献声明

瑞安·麦考德（Ryan McCord）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化展示、数据验证、项目监督、方法论设计、数据分析、概念化。

卡特琳娜·E.B.比奇（Katerina E.B. Beach）：撰写、审稿与编辑、可视化展示、数据管理。

安德里亚·马修（Andrea Mahieu）：撰写、审稿与编辑、项目监督、数据管理。

塔比·奇隆戈（Thabbie Chilongo）：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金筹措。

查尔斯·朱姆贝（Charles Jumbe）：撰写、审稿与编辑。

资金来源

本研究由美国国家科学基金会（National Science Foundation）的国际研究与合作（PIRE）计划（项目编号：1743741）资助。北卡罗来纳大学教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）的卡罗莱纳人口中心（Carolina Population Center，项目编号：P2CHD050924）提供了总体研究支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢利隆圭农业与自然资源大学（Lilongwe University of Agriculture and Natural Resources）农业研究与发展中心（Center for Agricultural Research and Development）的统计团队及其他研究人员的出色支持。VITALITE Malawi项目以及德国国际发展合作组织（GIZ）支持的EnDev Malawi项目也为本研究提供了重要帮助。同时，我们也感谢拉贾·萨帕拉帕（Rajah Saparapa）、赛勒斯·西奈（Cyrus Sinai）和戴 Congyi（Congyi Dai）的贡献。