一个村庄就是一座发电厂，71户村民的光伏实验

2024年1月，黄河边的庄上村。茶茶/摄

黄河北岸，正对古道要塞函谷关的庄上村，隶属山西省运城市芮城县陌南镇。近两千年前，东汉张衡描述这处山西、河南、陕西三省交界之地称：“左有崤函重险、桃林之塞”。

如今，这个距离县城有22公里的偏远村庄依靠阳光获得了多个光环：全球气候大会（COP28）“能源转型变革者”奖；联合国开发计划署、农业农村部等颁发的“中国零碳村镇示范村”；能源基金会支持，由清华大学江亿院士牵头的“中国光储直柔建筑发展战略研究项目”的国内首个农村应用试点。

和阳光之城洛杉矶同在北纬35度，庄上村日平均日照时在5.24-6.29小时，拥有发展光伏的良好自然条件。作为多个项目的试点，庄上村吸纳了设备和资源，积攒了经验，也呈现了难点。2021年底，国家能源局、农业农村部、国家乡村振兴局印发了《加快农村能源转型发展助力乡村振兴的实施意见》，提出到2025年，建成一批农村能源绿色低碳试点，分布式可再生能源发展壮大。

庄上村的经验正是参考。

一、庄上村的故事

李建民家的南侧屋顶装满了光伏板，因为是斜顶，这间17米宽、10米深的房子只有一半屋顶可以安装。每块光伏板大约2平方米，一共32块。

其他村民家里情况类似，每家屋顶都有三四十块光伏板，平均装机量约17千瓦，根据能源基金会2022年发布的研究报告，按照1200小时保守光照时间计算，每户每年发电量达到20400千瓦时（度）。

即便算上最需用电的冬季，这些发电量也够村民自家使用。

1月的白天短，李建民家的卧室下午4点多就没有了阳光，但他只开小功率的电采暖，室温不到8℃，坐久了还是感觉手脚冰凉。

如果李建民装上村里当下流行的热泵（空气能），室温就可以达到20℃，但耗电量也随之高涨，每月两千多度，4个月采暖季最高要用掉一万度电。

庄上村当前流行的热泵。茶茶/摄

如果这些电力都由光伏供给，加上全年其他月份用掉的两千多度电，光伏发电后的总盈余仍有八千多度。

理想的故事是，盈余的八千度电，可以村民存入自家储能电池留着用（自发自用）；汇集到村庄储能站后，隔墙卖给同村的其他人用（隔墙售电）；或者通过村庄储能站内的双向逆变器卖给国家电网（余电上网）。

自发自用

村广场旁的张大爷家是全村的能源革命先行示范户，他们家不仅有太阳能光伏板，还有直流电源插座，以及正在使用的直流电采暖片，其中配置的储能设备正是来自南京国臣直流配电科技有限公司（以下简称“国臣”），一次可以存10度电，像是一个小型充电宝，即使在取暖季，也完全能够满足夜间的用电量。

在村里开小卖部的徐阿姨家也是先行示范户，她家的空调、电动车、采暖片、电灯也都是用的光伏发电后的直流电，她家冬季采暖的用电量相较于张大爷家，明显大得多。

隔墙售电

冬季寒潮来临，如果屋顶发的电不够采暖用，徐阿姨理论上还能从发电后用不完的张大爷或其他村民那里买电，也就是“隔墙售电”，但这条路不好走。

在庄上村东南角，顺着坡道下到黄河边上，在黄土高原传统民居地坑院旁边还有一座由国臣配备的“中型充电宝”，40度电的储能相当于4户村民1天的发电量，张大爷家用不完的电和其他光伏发的电就存在其中，但这些电卖不上价，因为卖电只能是电网公司行为，而村民和国臣都没有卖电资质。

目前，“中型充电宝”的电会免费供徐阿姨、张大爷等先行示范户使用。

直接上网

“隔墙售电”行不通，庄上村的另一个项目就选择了全部直接上网。

例如李建民家的屋顶所装配的32块光伏板所发电力，他自己用不了，就全部直接卖给了电网公司。像李建民这样的村民，庄上村共有71户，他们的屋顶一共装配了2960块光伏板，总装机功率接近2兆瓦（2000千瓦）。

从技术角度，光伏所发的电是低压直流电，要想顺利把电卖给电网，首先需要变压器，将直流电逆变成交流电。

在庄上村的东西南北四个角落，4个由不锈钢围栏围起来的巨大电盒子是4个新建的400千伏安的台区，台区中包括了变压器和逆变器，71户村民屋顶的光伏电正是在这里从直流电转为了交流电。

庄上村西侧村口新建的2号台区。茶茶/摄

如同涓涓细流汇入小河、大江，继而汇入大海，一个村庄的电量规模其实不小。庄上村和其他村共用了一条高压配电线路，最大可接入分布式光伏（电源）容量是6兆瓦，但仅庄上村一个村子的发电功率就挤占了其中1/3，白天光伏集中出力的时候，高压线路仿佛高速公路塞车，上不了高速，一些电需要存储起来原地等待。

作为示范项目，庄上村的2兆瓦项目配置了高达717度电的储能，这些装配在台区的储能设备相当于“大型充电宝”，储能系统在白天光伏发电量多、电网容量压力大时充电，在晚上发电量少、电网容量压力小时放电上网，通过错开光伏发电、上网的时间差，实现电源端的削峰、填谷，简称调峰。

在2兆瓦的项目里，光伏公司投资、发电、卖电，村民出让屋顶收租。在这个简单的模式当中，每块光伏板光伏公司每年需要向村民支付20块钱的租金，“如果电用得省的话，这些租金就够每年的电费了。”李建民说。

二、“用不完”的光伏电

以上是庄上村光伏实验故事，并不完美，但现在若想复制这个故事，也并不容易。因为即便对于庄上村村民来说，两年前没赶上集体安装，现在想装光伏，也装不上了。

这归因于分布式光伏的“红区”管理。“在电网承载力评估当中，如果一个地区被评估为‘红区’，光伏发电也就没办法卖电上网了。”清华大学社会科学学院能源转型与社会发展研究中心常务副主任何继江解释，“红区”管理主要是因为电网容量不够或是消纳不了。

若以流水比作电，被划为红区的条件可以被解释为两种场景：一是涓涓溪流（分布式光伏）向小河（配电网）送出去的水（电）超过小河容量（低压台区的变压器容量）的80%，二是涓涓溪流（分布式光伏）送出去的水（电）在小河（配电网，最高到110千伏）里没人使用（消纳不了），需要送到更干流的大江（输电网，220千伏及以上）去。

不止是庄上村难以新增光伏装机，根据国家能源局最新数据，2023年我国分布式光伏新增并网9628.6万千瓦，快速新增的光伏导致电网容量不断吃紧，各省公开的电网承载力评估情况显示，山东、黑龙江、河南、广东、福建等省份的部分村子，新建分布式光伏的发电并网都没那么容易了。

河南省分布式光伏承载力与可开放容量发布平台截图（2024年2月4日）网址：http://www.hnnydsjzx.com/energy_web/outside/outsidemap

在能源基金会低碳城市高级项目主任王志高的印象中，即便是在光伏大省山东，一般村庄也只有20%—30%的屋顶能装上光伏。

多发的电送不出去，存起来呢？这条路在农村也不易走通。储能价格高昂，不可能无限制配置，高比例的配储甚至让卖电变成赔本生意。“比如河北，分布式光伏中午发的电储存到晚上再卖，买电池和充放电都有成本，从3毛7分钱变成7毛钱。”何继江用电价详细算了笔经济账。

庄上村是示范项目，配储就稍微多了一些，（占装机）比例达到了35%，高于一般政策要求的10%或者20%，但配得越多，投资也就越大。

一边是舍不得用耗电电器取暖的村民，一边是屋顶难以卖掉的光伏电，二者咬合起来，正是问题的答案。

目前在庄上村共有三种类型的取暖方式，热泵采暖效果最好，但是最耗电，一般为大户型的人家采用。

庄上村不同采暖类型农户的耗电量

茶茶/调研整理

2024年1月，因为采暖效果不佳，在一些使用热泵的家庭里，免费安装的石墨烯采暖片已被闲置。茶茶/摄

“煤改电”的政策背景下，煤、炭、柴暖等分散式、低效率、高污染的传统取暖方式已渐渐从绝大多数家庭中退出，热泵使用“煤改电”后的优惠电价每度2毛8分6，冬季每个月交电费500～700元，并不算太贵。但一个170平方米的房子，热泵3万到5万元的高昂初装成本还是会让庄上村大多数人望而却步。

对此，王志高建议：国家补贴热泵初装费，同时调整电价补贴结构。他认为，应重新梳理电价的“交叉补贴”和“煤电改”优惠补贴，优先补贴热泵采暖，包括初装费和运行电价。另外，村民如果能够用上自家屋顶发的电，特别是无法上网的电，就可以降低热泵的运行成本。全生命周期来看，可以抵消热泵高昂的初期投资，降低电网扩容压力，整体上提高热泵采暖的竞争力和可持续性，是一个值得重视和推广的模式。

据何继江介绍，类似的案例已经在陕西出现，光伏企业租用村民屋顶后，免费向村民赠送一套热泵，既解决了村民热泵初装的难题，也满足了光伏发电消纳的需求。

但大规模新装热泵后，新的问题将会出现。

比如大规模寒潮来袭，采暖设备都开机运转，瞬时的高用电负荷将冲破变压器容量，称为用电侧负荷的“气候同步性”。

据一位电器行业的长期从业者透露，在“煤改电”政策推行初期，就曾出现过大规模的用电负荷问题，农村快速、批量、大规模地新增暖风机，冬天室外的温度越低，采暖的功耗就越大，电网压力更大。

“柔性用电”是解决途径之一，也叫“削峰填谷”，用电高峰时，让部分用户少用电，用电低谷时，让部分用户多用电。

“柔性用电”在城市中已有试点，电网、用户中间有第三方，叫做负荷聚合商，负荷聚合商和很多用户签代理协议，何时用电，何时不用电，负荷聚合商接到电网公司的指令后，再发给不同的用户。

深圳市建筑科学研究院股份有限公司直流建筑实验室副主任李雨桐认为，如果日后整村推进热泵，将同规格、型号的热泵对接到第三方聚合商，村庄级别的负荷调节对于应对电网的“气候同步性”也能发挥作用。

三、直流配电的未来

2023年，庄上村获得了COP28颁发的“能源转型变革者”奖，正是因为对“光储直柔”系统的探索，当中也涉及一百多年前两位发明家爱迪生和特斯拉的辩论。

当年特斯拉在爱迪生的企业工作，认为爱迪生发明并主张使用的直流电有太多的缺点和限制，双方意见不合。分道扬镳后，特斯拉在新公司设计出了简单、灵便的交流电发电机，变压器又解决了长途送电的损耗问题，在市场驱动下，交流电开始被广泛采用，并慢慢取代了直流电。

但在如今的技术条件下，如果整村推进光伏加热泵，直流配电的系统优势将会慢慢显现出来。

清华大学、国网四川省电力公司的多位研究者在2022年和2023年发布的多篇学术研究发现，由于不用逆变的环节，直流配电系统相较于交流电的建筑能耗能够节省2%至19%。

从控制的角度，王志高也更看好直流配电，交流电至少得有两个控制参数，包括电压和频率，但是直流只需要一个电压参数，可以通过母线电压的变化来传递控制指令，相对简单，可降低系统成本和控制的复杂程度。

但是一百多年前爱迪生和特斯拉的辩论胜负对当今的电力系统影响十分深远，直流配电的优势如今即使在理论上被证明，发展和崛起也难免受到来自交流电系统的挑战。

比如买不到合适直流电冰箱、洗衣机等家电目前就是张大爷、徐阿姨的困扰，即便是徐阿姨家那台全村唯一的直流电空调，遥控器、说明书也全是英文，作为本要出口欧盟的产品，经过工程师的特改后才能使用。

徐阿姨家有全村唯一一台直流电空调。茶茶/摄

市场上买到直流电器可能还需要3-5年，甚至5-10年，因为产品标准认证、检测、监管系统健全后，才能自由贸易和销售。此外，在直流系统当中，不仅终端产品的空调要求是标准化的、通用化的，电网侧、民用建筑供电系统侧都要如此。直到2022年3月中国建筑节能协会发布了团体标准《民用建筑直流配电设计标准》，直流配电系统标准化的帷幕才慢慢拉开。

随着电动汽车和光伏产业的发展，在规模和集聚效应下，电池、储能的价格也都越来越低。李雨桐认为：“未来电动汽车的下乡，每辆车至少有50度电的储能，如果能够通过民用建筑供电系统侧的改造，实现电动汽车的家庭光伏和用电的交互，通过电动车储能保障居民的夜间用电也完全够了。”

王志高认为，打通光储直柔系统的堵点之后，通过实现农村全面电气化，庄上村就不止是一个发电厂，还是一个非常重要的电力用户，变成电力系统的“产销者”，“这不仅有利于构建新型电力系统，促进能源结构的转型，还能通过淘汰散煤等提升环境质量”。

未来，对于李建民这样的村民而言，如果能用上自己屋顶光伏板的低价电、免费电，等天冷了，可能也就舍得用电采暖了。

（李建民为化名）

参考文献：能源基金会，农村光储直柔系统示范项目技术方案及商业模式研究，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