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2024年1月，個村黃河邊的莊座莊上村。茶茶/攝
黃河北岸，發(fā)電伏實(shí)正對古道要塞函谷關(guān)的廠戶村民莊上村，隸屬山西省運(yùn)城市芮城縣陌南鎮(zhèn)。個村近兩千年前，莊座東漢張衡描述這處山西、發(fā)電伏實(shí)河南、廠戶村民陜西三省交界之地稱：“左有崤函重險、個村桃林之塞”。莊座
如今，發(fā)電伏實(shí)這個距離縣城有22公里的廠戶村民偏遠(yuǎn)村莊依靠陽光獲得了多個光環(huán)：全球氣候大會（COP28）“能源轉(zhuǎn)型變革者”獎；聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等頒發(fā)的個村“中國零碳村鎮(zhèn)示范村”；能源基金會支持，由清華大學(xué)江億院士牽頭的莊座“中國光儲直柔建筑發(fā)展戰(zhàn)略研究項(xiàng)目”的國內(nèi)首個農(nóng)村應(yīng)用試點(diǎn)。
和陽光之城洛杉磯同在北緯35度，發(fā)電伏實(shí)莊上村日平均日照時在5.24-6.29小時，擁有發(fā)展光伏的良好自然條件。作為多個項(xiàng)目的試點(diǎn)，莊上村吸納了設(shè)備和資源，積攢了經(jīng)驗(yàn)，也呈現(xiàn)了難點(diǎn)。2021年底，國家能源局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家鄉(xiāng)村振興局印發(fā)了《加快農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型發(fā)展助力鄉(xiāng)村振興的實(shí)施意見》，提出到2025年，建成一批農(nóng)村能源綠色低碳試點(diǎn)，分布式可再生能源發(fā)展壯大。
莊上村的經(jīng)驗(yàn)正是參考。
李建民家的南側(cè)屋頂裝滿了光伏板，因?yàn)槭切表敚@間17米寬、10米深的房子只有一半屋頂可以安裝。每塊光伏板大約2平方米，一共32塊。
其他村民家里情況類似，每家屋頂都有三四十塊光伏板，平均裝機(jī)量約17千瓦，根據(jù)能源基金會2022年發(fā)布的研究報告，按照1200小時保守光照時間計(jì)算，每戶每年發(fā)電量達(dá)到20400千瓦時（度）。
即便算上最需用電的冬季，這些發(fā)電量也夠村民自家使用。
1月的白天短，李建民家的臥室下午4點(diǎn)多就沒有了陽光，但他只開小功率的電采暖，室溫不到8℃，坐久了還是感覺手腳冰涼。
如果李建民裝上村里當(dāng)下流行的熱泵（空氣能），室溫就可以達(dá)到20℃，但耗電量也隨之高漲，每月兩千多度，4個月采暖季最高要用掉一萬度電。
莊上村當(dāng)前流行的熱泵。茶茶/攝
如果這些電力都由光伏供給，加上全年其他月份用掉的兩千多度電，光伏發(fā)電后的總盈余仍有八千多度。
理想的故事是，盈余的八千度電，可以村民存入自家儲能電池留著用（自發(fā)自用）；匯集到村莊儲能站后，隔墻賣給同村的其他人用（隔墻售電）；或者通過村莊儲能站內(nèi)的雙向逆變器賣給國家電網(wǎng)（余電上網(wǎng)）。
村廣場旁的張大爺家是全村的能源革命先行示范戶，他們家不僅有太陽能光伏板，還有直流電源插座，以及正在使用的直流電采暖片，其中配置的儲能設(shè)備正是來自南京國臣直流配電科技有限公司（以下簡稱“國臣”），一次可以存10度電，像是一個小型充電寶，即使在取暖季，也完全能夠滿足夜間的用電量。
在村里開小賣部的徐阿姨家也是先行示范戶，她家的空調(diào)、電動車、采暖片、電燈也都是用的光伏發(fā)電后的直流電，她家冬季采暖的用電量相較于張大爺家，明顯大得多。
冬季寒潮來臨，如果屋頂發(fā)的電不夠采暖用，徐阿姨理論上還能從發(fā)電后用不完的張大爺或其他村民那里買電，也就是“隔墻售電”，但這條路不好走。
在莊上村東南角，順著坡道下到黃河邊上，在黃土高原傳統(tǒng)民居地坑院旁邊還有一座由國臣配備的“中型充電寶”，40度電的儲能相當(dāng)于4戶村民1天的發(fā)電量，張大爺家用不完的電和其他光伏發(fā)的電就存在其中，但這些電賣不上價，因?yàn)橘u電只能是電網(wǎng)公司行為，而村民和國臣都沒有賣電資質(zhì)。
目前，“中型充電寶”的電會免費(fèi)供徐阿姨、張大爺?shù)认刃惺痉稇羰褂谩?/p>
“隔墻售電”行不通，莊上村的另一個項(xiàng)目就選擇了全部直接上網(wǎng)。
例如李建民家的屋頂所裝配的32塊光伏板所發(fā)電力，他自己用不了，就全部直接賣給了電網(wǎng)公司。像李建民這樣的村民，莊上村共有71戶，他們的屋頂一共裝配了2960塊光伏板，總裝機(jī)功率接近2兆瓦（2000千瓦）。
從技術(shù)角度，光伏所發(fā)的電是低壓直流電，要想順利把電賣給電網(wǎng)，首先需要變壓器，將直流電逆變成交流電。
在莊上村的東西南北四個角落，4個由不銹鋼圍欄圍起來的巨大電盒子是4個新建的400千伏安的臺區(qū)，臺區(qū)中包括了變壓器和逆變器，71戶村民屋頂?shù)墓夥娬窃谶@里從直流電轉(zhuǎn)為了交流電。
莊上村西側(cè)村口新建的2號臺區(qū)。茶茶/攝
如同涓涓細(xì)流匯入小河、大江，繼而匯入大海，一個村莊的電量規(guī)模其實(shí)不小。莊上村和其他村共用了一條高壓配電線路，最大可接入分布式光伏（電源）容量是6兆瓦，但僅莊上村一個村子的發(fā)電功率就擠占了其中1/3，白天光伏集中出力的時候，高壓線路仿佛高速公路塞車，上不了高速，一些電需要存儲起來原地等待。
作為示范項(xiàng)目，莊上村的2兆瓦項(xiàng)目配置了高達(dá)717度電的儲能，這些裝配在臺區(qū)的儲能設(shè)備相當(dāng)于“大型充電寶”，儲能系統(tǒng)在白天光伏發(fā)電量多、電網(wǎng)容量壓力大時充電，在晚上發(fā)電量少、電網(wǎng)容量壓力小時放電上網(wǎng)，通過錯開光伏發(fā)電、上網(wǎng)的時間差，實(shí)現(xiàn)電源端的削峰、填谷，簡稱調(diào)峰。
在2兆瓦的項(xiàng)目里，光伏公司投資、發(fā)電、賣電，村民出讓屋頂收租。在這個簡單的模式當(dāng)中，每塊光伏板光伏公司每年需要向村民支付20塊錢的租金，“如果電用得省的話，這些租金就夠每年的電費(fèi)了。”李建民說。
以上是莊上村光伏實(shí)驗(yàn)故事，并不完美，但現(xiàn)在若想復(fù)制這個故事，也并不容易。因?yàn)榧幢銓τ谇f上村村民來說，兩年前沒趕上集體安裝，現(xiàn)在想裝光伏，也裝不上了。
這歸因于分布式光伏的“紅區(qū)”管理。“在電網(wǎng)承載力評估當(dāng)中，如果一個地區(qū)被評估為‘紅區(qū)’，光伏發(fā)電也就沒辦法賣電上網(wǎng)了。”清華大學(xué)社會科學(xué)學(xué)院能源轉(zhuǎn)型與社會發(fā)展研究中心常務(wù)副主任何繼江解釋，“紅區(qū)”管理主要是因?yàn)殡娋W(wǎng)容量不夠或是消納不了。
若以流水比作電，被劃為紅區(qū)的條件可以被解釋為兩種場景：一是涓涓溪流（分布式光伏）向小河（配電網(wǎng)）送出去的水（電）超過小河容量（低壓臺區(qū)的變壓器容量）的80%，二是涓涓溪流（分布式光伏）送出去的水（電）在小河（配電網(wǎng)，最高到110千伏）里沒人使用（消納不了），需要送到更干流的大江（輸電網(wǎng)，220千伏及以上）去。
不止是莊上村難以新增光伏裝機(jī)，根據(jù)國家能源局最新數(shù)據(jù)，2023年我國分布式光伏新增并網(wǎng)9628.6萬千瓦，快速新增的光伏導(dǎo)致電網(wǎng)容量不斷吃緊，各省公開的電網(wǎng)承載力評估情況顯示，山東、黑龍江、河南、廣東、福建等省份的部分村子，新建分布式光伏的發(fā)電并網(wǎng)都沒那么容易了。
河南省分布式光伏承載力與可開放容量發(fā)布平臺截圖（2024年2月4日）網(wǎng)址：http://www.hnnydsjzx.com/energy_web/outside/outsidemap
在能源基金會低碳城市高級項(xiàng)目主任王志高的印象中，即便是在光伏大省山東，一般村莊也只有20%—30%的屋頂能裝上光伏。
多發(fā)的電送不出去，存起來呢？這條路在農(nóng)村也不易走通。儲能價格高昂，不可能無限制配置，高比例的配儲甚至讓賣電變成賠本生意。“比如河北，分布式光伏中午發(fā)的電儲存到晚上再賣，買電池和充放電都有成本，從3毛7分錢變成7毛錢。”何繼江用電價詳細(xì)算了筆經(jīng)濟(jì)賬。
莊上村是示范項(xiàng)目，配儲就稍微多了一些，（占裝機(jī)）比例達(dá)到了35%，高于一般政策要求的10%或者20%，但配得越多，投資也就越大。
一邊是舍不得用耗電電器取暖的村民，一邊是屋頂難以賣掉的光伏電，二者咬合起來，正是問題的答案。
目前在莊上村共有三種類型的取暖方式，熱泵采暖效果最好，但是最耗電，一般為大戶型的人家采用。
莊上村不同采暖類型農(nóng)戶的耗電量
茶茶/調(diào)研整理
2024年1月，因?yàn)椴膳Ч患眩谝恍┦褂脽岜玫募彝ダ铮赓M(fèi)安裝的石墨烯采暖片已被閑置。茶茶/攝
“煤改電”的政策背景下，煤、炭、柴暖等分散式、低效率、高污染的傳統(tǒng)取暖方式已漸漸從絕大多數(shù)家庭中退出，熱泵使用“煤改電”后的優(yōu)惠電價每度2毛8分6，冬季每個月交電費(fèi)500～700元，并不算太貴。但一個170平方米的房子，熱泵3萬到5萬元的高昂初裝成本還是會讓莊上村大多數(shù)人望而卻步。
對此，王志高建議：國家補(bǔ)貼熱泵初裝費(fèi)，同時調(diào)整電價補(bǔ)貼結(jié)構(gòu)。他認(rèn)為，應(yīng)重新梳理電價的“交叉補(bǔ)貼”和“煤電改”優(yōu)惠補(bǔ)貼，優(yōu)先補(bǔ)貼熱泵采暖，包括初裝費(fèi)和運(yùn)行電價。另外，村民如果能夠用上自家屋頂發(fā)的電，特別是無法上網(wǎng)的電，就可以降低熱泵的運(yùn)行成本。全生命周期來看，可以抵消熱泵高昂的初期投資，降低電網(wǎng)擴(kuò)容壓力，整體上提高熱泵采暖的競爭力和可持續(xù)性，是一個值得重視和推廣的模式。
據(jù)何繼江介紹，類似的案例已經(jīng)在陜西出現(xiàn)，光伏企業(yè)租用村民屋頂后，免費(fèi)向村民贈送一套熱泵，既解決了村民熱泵初裝的難題，也滿足了光伏發(fā)電消納的需求。
但大規(guī)模新裝熱泵后，新的問題將會出現(xiàn)。
比如大規(guī)模寒潮來襲，采暖設(shè)備都開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，瞬時的高用電負(fù)荷將沖破變壓器容量，稱為用電側(cè)負(fù)荷的“氣候同步性”。
據(jù)一位電器行業(yè)的長期從業(yè)者透露，在“煤改電”政策推行初期，就曾出現(xiàn)過大規(guī)模的用電負(fù)荷問題，農(nóng)村快速、批量、大規(guī)模地新增暖風(fēng)機(jī)，冬天室外的溫度越低，采暖的功耗就越大，電網(wǎng)壓力更大。
“柔性用電”是解決途徑之一，也叫“削峰填谷”，用電高峰時，讓部分用戶少用電，用電低谷時，讓部分用戶多用電。
“柔性用電”在城市中已有試點(diǎn)，電網(wǎng)、用戶中間有第三方，叫做負(fù)荷聚合商，負(fù)荷聚合商和很多用戶簽代理協(xié)議，何時用電，何時不用電，負(fù)荷聚合商接到電網(wǎng)公司的指令后，再發(fā)給不同的用戶。
深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司直流建筑實(shí)驗(yàn)室副主任李雨桐認(rèn)為，如果日后整村推進(jìn)熱泵，將同規(guī)格、型號的熱泵對接到第三方聚合商，村莊級別的負(fù)荷調(diào)節(jié)對于應(yīng)對電網(wǎng)的“氣候同步性”也能發(fā)揮作用。
2023年，莊上村獲得了COP28頒發(fā)的“能源轉(zhuǎn)型變革者”獎，正是因?yàn)閷Α肮鈨χ比帷毕到y(tǒng)的探索，當(dāng)中也涉及一百多年前兩位發(fā)明家愛迪生和特斯拉的辯論。
當(dāng)年特斯拉在愛迪生的企業(yè)工作，認(rèn)為愛迪生發(fā)明并主張使用的直流電有太多的缺點(diǎn)和限制，雙方意見不合。分道揚(yáng)鑣后，特斯拉在新公司設(shè)計(jì)出了簡單、靈便的交流電發(fā)電機(jī)，變壓器又解決了長途送電的損耗問題，在市場驅(qū)動下，交流電開始被廣泛采用，并慢慢取代了直流電。
但在如今的技術(shù)條件下，如果整村推進(jìn)光伏加熱泵，直流配電的系統(tǒng)優(yōu)勢將會慢慢顯現(xiàn)出來。
清華大學(xué)、國網(wǎng)四川省電力公司的多位研究者在2022年和2023年發(fā)布的多篇學(xué)術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，由于不用逆變的環(huán)節(jié)，直流配電系統(tǒng)相較于交流電的建筑能耗能夠節(jié)省2%至19%。
從控制的角度，王志高也更看好直流配電，交流電至少得有兩個控制參數(shù)，包括電壓和頻率，但是直流只需要一個電壓參數(shù)，可以通過母線電壓的變化來傳遞控制指令，相對簡單，可降低系統(tǒng)成本和控制的復(fù)雜程度。
但是一百多年前愛迪生和特斯拉的辯論勝負(fù)對當(dāng)今的電力系統(tǒng)影響十分深遠(yuǎn)，直流配電的優(yōu)勢如今即使在理論上被證明，發(fā)展和崛起也難免受到來自交流電系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。
比如買不到合適直流電冰箱、洗衣機(jī)等家電目前就是張大爺、徐阿姨的困擾，即便是徐阿姨家那臺全村唯一的直流電空調(diào)，遙控器、說明書也全是英文，作為本要出口歐盟的產(chǎn)品，經(jīng)過工程師的特改后才能使用。
徐阿姨家有全村唯一一臺直流電空調(diào)。茶茶/攝
市場上買到直流電器可能還需要3-5年，甚至5-10年，因?yàn)楫a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證、檢測、監(jiān)管系統(tǒng)健全后，才能自由貿(mào)易和銷售。此外，在直流系統(tǒng)當(dāng)中，不僅終端產(chǎn)品的空調(diào)要求是標(biāo)準(zhǔn)化的、通用化的，電網(wǎng)側(cè)、民用建筑供電系統(tǒng)側(cè)都要如此。直到2022年3月中國建筑節(jié)能協(xié)會發(fā)布了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑直流配電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，直流配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的帷幕才慢慢拉開。
隨著電動汽車和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在規(guī)模和集聚效應(yīng)下，電池、儲能的價格也都越來越低。李雨桐認(rèn)為：“未來電動汽車的下鄉(xiāng)，每輛車至少有50度電的儲能，如果能夠通過民用建筑供電系統(tǒng)側(cè)的改造，實(shí)現(xiàn)電動汽車的家庭光伏和用電的交互，通過電動車儲能保障居民的夜間用電也完全夠了。”
王志高認(rèn)為，打通光儲直柔系統(tǒng)的堵點(diǎn)之后，通過實(shí)現(xiàn)農(nóng)村全面電氣化，莊上村就不止是一個發(fā)電廠，還是一個非常重要的電力用戶，變成電力系統(tǒng)的“產(chǎn)銷者”，“這不僅有利于構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，還能通過淘汰散煤等提升環(huán)境質(zhì)量”。
未來，對于李建民這樣的村民而言，如果能用上自己屋頂光伏板的低價電、免費(fèi)電，等天冷了，可能也就舍得用電采暖了。
（李建民為化名）
參考文獻(xiàn)：能源基金會，農(nóng)村光儲直柔系統(tǒng)示范項(xiàng)目技術(shù)方案及商業(yè)模式研究，2022年7月
X. Liu, X. Liu, Y. Jiang, T. Zhang and B. Hao, "Photovoltaics and Energy Storage Integrated Flexible Direct Current Distribution Systems of Buildings: Definition, Technology Review, and Application," in CSEE Journal of Power and Energy Systems, vol. 9, no. 3, pp. 829-845, May 2023, doi: 10.17775/CSEEJPES.2022.04850.
Jiang, K.; Li, H.; Ye, X.; Lei, Y.; Lao, K.-W.; Zhang, S.; Hu, X. Energy Efficiency Evaluation and Revenue Distribution of DC Power Distribution Systems in Nearly Zero Energy Buildings. Energies 2022, 15, 5726. https://doi.org/10.3390/en15155726
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