太阳能电池板与电池：全民发电防断电

在得克萨斯州韦瑟福德，Mike Renner爬上了自家屋顶，维修太阳能热水器和太阳能电池板。给电力系统加上电池可以帮助他度过电力管制，让电网更灵活。

摄影：RON T. ENNIS, FORT WORTH STAR-TELEGRAM/GETTY IMAGES

撰文：ALEJANDRA BORUNDA

　　2月，一股寒流横扫得克萨斯州。在皮尔兰，周一傍晚5:30，Mauricio Montoyad所在的社区停电了，屋外风雪交加。夜幕迅速降临，整个社区陷入一种诡异的黑暗中，只有Montoyad的屋子仍亮着灯，屋里依旧温暖，这要归功于太阳能电池板阵列和电池组。直至周四，电力才恢复。

　　雪灾期间，Montoya家成了避难所；邻居们纷纷来取暖，家里停电的亲人也来了。孩子们睡在自己的床上，安全又温暖。

　　“这些电池板和电池救了我们的命，”他说：“有了这个系统，我们可以一直这样生活下去。”

　　面对气候变化带来的极端天气，再加上需电量越来越大，美国复杂的电力基础设施压力越来越重；随着未来地球变暖，再加上美国试图渐渐不再用化石燃料为日常生活供电，问题只会激化。

　　在电网其他地方停电时，小型太阳能项目，再加上屋顶上可储存收集电力的电池，就能保证屋内照明，Montoya家就是这样。同时，它们也能发挥重要作用：支持更大的电网。如果正确联网使用，这就像一个“虚拟电厂”，消除用电峰谷，第一时间防止发生停电。

　　这个想法在能源圈讨论了好几年，加利福尼亚州、佛蒙特州和其他几个州已经开始进行测试。不过得州还没有行动起来。

　　“这会抵消压缩机和天然气发电厂冻结导致的影响吗？不，当然不会，但不会再遇到得州这样的极端（电力短缺）现象”，能源分析组织“活力清洁能源”（Vibrant Clean Energy）的能源模型师、首席执行官Christopher Clack说。

小的是美好的

　　太阳能和风能等可再生能源一直有一个大问题：它们不够稳定。太阳东升西落，风力忽大忽小，所以一直以来，是否存在有效存储多余能量的方法，一直困扰着科学家。而“如何”存储也很棘手，至少大规模来看是这样。

　　电池技术的进步改变了这种情况。在过去十年里，电池可以更加高效地存储太阳能（或任何其他能源）产生的电能，同时价格大幅降低。储能电池的成本下降了70%。

　　相应地，电池的使用量也随之飙升。根据美国能源信息署的报告，自2010年以来，美国蓄电池容量增加了10倍以上，仅2020年就翻了一番。专注于能源分析的伍德·麦肯兹公司表示，预计到2021年，这个数字将增至3倍，2025年增至6倍。

　　大部分增长来自所谓的“蓄电池”系统，比如目前世界最大的300兆瓦莫斯兰登系统，位于加州蒙特雷。但很大一部分则来自人们在屋顶安装的电池系统，它们通常与屋顶的小型太阳能电池板阵列结合在一起。（例如，Montoya家有3个特斯拉能源墙和1个太阳能电池板阵列）。

　　“潜能巨大，”伍德·麦肯兹公司的住宅储能专家Chloe Holden说：“问题在于多少家庭拥有太阳能板和电池存储系统，答案是：很多家庭。”

　　2019年和2020年加州遭遇停电后，很多家庭开始寻求应对办法。很多人买了柴油发电机，但太阳能公司Sunrun报告称，小型太阳能板和电池的销量也有所上升，这种设备可以在短时间停电时为家庭供电，并在第二天的阳光下再次充电。2019年，加州约2万个家庭安装了住宅储电系统；2020年年中，增至约3万个家庭，加州太阳能和存储协会的负责人Bernadette del Chiaro说。她预测，到2021年年中，这个数字将达到6万。

　　这样的增长带来了巨大的机遇，她说：把所有这些微小的、“分散式”存储的能量，转化成一种巨大的、网络化资源，当更大的电网遇到压力时，可以寻求帮助。

测试情况

　　过去三年里，电池系统才变得普及，规模大到足够开始测试分散式系统。几家电力公司已经开始大幅降低安装存储系统的成本，以换取对电池储量的偶尔调用。他们还对客户的电力负载有一定的控制，微妙地调整他们的恒温器和冰箱，帮助控制总耗电量，又不影响舒适度。通常，提供电力的客户会获得相应的报酬。

特斯拉推“换电补能”是不可能的，但没说“电池升级”不可以

3月1日，特斯拉中国公司的注册信息里新增了换电相关业务，引起业界一片哗然。很多人认为，特斯拉即将“效仿”蔚来汽车推出“换电补能”服务了。但很快，特斯拉官方给出回应：“特斯拉不会做换电。” 随后上海日报报道称，特斯拉的一位官员表示，该公司认为充

　　佛蒙特州的绿山电力公司拥有2500多名客户，他们把电池接入了更大的电网，同意一年几次在用电高峰期，让这家电力公司进行控制。这个系统正在帮助缓解荷载压力，降低电费。

　　俄勒冈州的波特兰、科罗拉多州的电力公司也在推行类似的试点项目，很多规模较小的项目也在筹备中。9月，负责监管美国电力系统的联邦能源管理委员会要求全国电力公司找出实施方法；Holden说，在未来几年里，这个决定将会带来巨大的创新，推动这类系统的建设。

　　北卡罗来纳州立大学的能源研究员Jeremiah Johnson说，这一进展甚至有助于让电力公司放弃建造新的化石燃料发电厂，并加快老发电厂的退休进程。“如果有足够的电力以备不时之需，那么你就会觉得不需要再建一座天然气发电厂。”

如何预防停电

　　停电的原因大多很简单：电力需求超过了系统供给。

　　这种情况往往发生在夏季，气候炎热，人们开着空调，耗电量大，用电需求剧增。极端热浪来袭，超高的用电需求导致了去年加州北部大规模停电。

　　但布雷托集团的能源分析师Ryan Hledik解释说，这种情况也会发生在冬季，得州最近的停电也与之有关。根据物理定律，把屋内温度从零下12.2度升至18.3度所耗的能量，多于从37.8度降至21.1度，而且在得州大多靠电力。约60%的家庭用电力供暖（其他的用天然气）。

　　无论是升温还是降温导致了用电压力，遇到这样的问题时，电源管理器通常会利用复杂的系统，试图“消除”这种需求，有时是让人们关掉不必要的电气设备，有时是要求打开“峰化器”，燃烧天然气、喷气燃料或化石燃料产生电能，或者从其他区域购买额外的电力，来填补空缺。

　　但这些策略有时也不起作用，电力不足以满足需求。此时就会停电：电力公司关闭系统，防止发生灾难性事故，或者是系统因不堪重负而关闭。

　　分散式电池网络（包括工业和家用）如何帮助保证屋内照明和大规模电网正常运转呢？

　　Hledik解释说，首先是用电需求方面。能够自给自足的房屋不会给承受巨大压力的电网增加负担。关键时刻，仅仅是“减少需求”就能起到帮助作用。

　　然后，可以利用所有电池填补能量缺口，以防出现断电。

　　无论是减少用电需求，还是提供额外的能源来源，这些虚拟发电厂“真的很有用”，全国性太阳能和电池公司Sunrun的政策主管Amy Heart说。

　　去年8月，在加州，虚拟发电厂可能有助于避免停电。用电需求超过供电量其实只有几个小时，大约在500至100兆瓦之间，del Chiaro说（中等规模的天然气发电厂可以提供约500兆瓦电力）。但由于种种原因，全加州只有约3万个电池被征召，电力公司无法填补缺口。Del Chiaro希望在今年夏天之前，解决政策和后勤方面的问题，不断增加的电池存储容量也会有所帮助。OhmConnect公司正在开发550兆瓦的虚拟发电厂，之后还会有更多项目。

　　“加州的情况完全可以通过增加电池存储容量来解决，”Clack说。

　　而得州的情况更严峻，也更难管理，他说。寒冷的天气导致很多主要供电线路在用电需求激增的时候断开。得州连续几天面临20至25亿瓦的电力缺口，是去年加州的10倍多。

　　据估计，得州有5万户家庭有电池，理论上可以作为分担负载的虚拟发电厂，但根据政策和权限，它们无法为电网提供电能，只能像Montoya那样，为自家供电。但如果可以，Clack认为，一组庞大的虚拟发电厂可以帮助缓解这次的灾情。

　　得州大学奥斯汀分校的能源专家Joshua Rhodes说：“那段时间里，无论多少，得州电网获得的任何一点电能都是有意义的，因为我们缺乏能源，缺乏电能。”

　　Holden提醒我们，虚拟发电厂和电池网络绝非万灵药。但她预计，随着存储能力的增加，这些系统的用途也会有所扩展。屋主的需求在增加：Sunrun公司报告称，得州暴风雪之后的一周时间里，公司网站的浏览量增加了350%，把电池接入太阳能系统的请求增加了70%。

　　“可能就像1920年时的冰箱一样，”储能协会的首席执行官Jason Burwen说：“当时是令人兴奋的奢侈品，而现在已经成了我们生活中必不可少的一部分。”

（译者：Sky4）