为家庭太阳能增加储能：是否有意义？

最初发表于《物理学家的思想》，作者艾伦·霍夫曼（Allan R.Hoffman）

最近引起人们越来越大兴趣的一个话题是向家庭太阳能系统中增加电能存储的可能性。埃隆·马斯克（Elon Musk）最近宣布，他的电动汽车公司特斯拉（Tesla）将以低于预期的价格销售7 kWh和10 kWh锂离子电池Powerwall存储单元，这刺激了最新的太阳能利用技术为家庭和企业供电。成本（分别为$ 429 / kWh和$ 350 / kWh）。

此后不久，另一家汽车制造商（奔驰（Mercedes Benz））戴姆勒（Daimler）宣布将在今年9月做同样的事情，澳大利亚公用事业公司AGL Energy宣布将提供7.2 kWh系统，每台价格低于10,000美元。这些公告打开了分析的闸门，自从增加向太阳能系统存储的成本效益以来，出现了许多文章。

普遍的共识似乎是，如今在个人住宅的太阳能系统中增加存储系统仍然有些麻烦-以当前价格计算的投资回收期可能为十年或更长时间（请参见下表，澳大利亚维多利亚州）-但公用事业可以提供显着的运营和成本优势。当然，投资回收期取决于存储系统的大小，现在和将来的存储成本，相关太阳能光伏阵列的大小和成本，电价和激励措施的结构，监管环境以及太阳能资源的大小。

这篇博客文章受到了这样一种感觉的鼓舞，即随着最近的进展，太阳能变得越来越复杂，还有一个同事提出的一个具体问题，他问在家用光伏系统中增加存储是否具有经济意义。为了更好地解决这个问题，我阅读了很多可用的文献，但仍然想做一些简单的计算，以使自己对现在提供的更详细的答案感到满意。我希望这种简化的方法可以帮助其他人以及我自己理解我们能源系统这种变革性变化的利弊。

在简要考虑了如何进行“封底”计算之后，我认为最好从一个更基本的问题开始：在屋顶上安装太阳能电池板甚至具有经济意义？尽管近年来光伏系统的成本已急剧下降，这主要是由于制造业的规模经济所致，但与世界其他大部分地区的价格相比，美国的电力成本仍很低，对成本敏感的消费者可能会对太阳能经济学持怀疑态度。当然，即使千瓦时的成本超过了公用事业公司目前收取的费用，使用太阳能也有其他原因。其中包括在停电期间需要备用日间电力的需求，当州在1990年代出现电力不足/停电时，刺激了加利福尼亚州对太阳能的大量需求。显然，这里的存储也有帮助。

其他原因还包括：如果人们离电网太远（电力线扩展很昂贵）的成本，希望完全脱离电网的成本，对未来公用事业成本增加的对冲或通过减少对电力的需求来降低对环境的影响化石燃料发电。就公用事业而言，太阳能可能是满足强制性环境约束和可再生能源投资组合标准（例如，到2020年达到20％的可再生能源）的计划的一部分，同时认识到太阳能可以减少与经常挥发的化石燃料的依赖相关的成本不确定性并提供其他电网控制和稳定性的辅助优势。

为了进行计算，我将进行以下假设：

美国的日照量将由国家可再生能源实验室（NREL）绘制的地图得出。对于我在弗吉尼亚州的房屋，我将平均每天每平方米使用4 kWh的日照，太阳能转换效率为20％。太阳能阵列将由14个250瓦峰值功率面板组成，总共3.5个kW峰值。每个面板的表面积为1.65平方米。（注：这些数字来自网络上的供应商报价），安装成本为每峰值瓦特3.50美元，每日总耗电量为30千瓦时（每年10,950千瓦时），平均电费为每千瓦时12美分，没有联邦或州政府的鼓励措施（注意：这些可以使所需的投资有所不同，并且可以轻松地包含在这些计算中）将安装一个10 kWh的存储单元，总成本为5,000美元

（注意：读者可以使用自己的假设来重做这些透明的计算。）

以每年10950千瓦时的平均成本0.12美元/千瓦时计算，太阳能前的年度电费为1314美元。太阳能电池板总面积为（14）x（1.65）= 23.1平方米。以每天每平方米4 kWh的平均日照值，这14个面板的截距（4）x（23.1）=每天92.4 kWh或每年33,726 kWh。在光伏面板转换效率为20％的情况下，这将产生6,745 kWh的电力，从而抵消（6,745）/（10,950）=公用事业需求的62％。每年节省的成本为（0.62）x（$ 1,314）= $ 815。这将与安装成本（3.5 kW）x（每瓦3.50美元）= 12,250美元进行比较。因此，简单的投资回收期为（12,250）/（815）= 15.0年。由于联邦和州的激励措施抵消了安装成本的30％，因此简单的投资回收期将缩短为10.5年。由于现在可以常规保证太阳能电池板的性能为25年，因此，在回收期之后，将会减少很多年的电费。

对于许多希望在屋顶上安装太阳能的人来说，问题在于所需的前期投资。为了解决这一障碍，已经提出了几种将前期成本降低到零或接近零的解决方案–例如，从在您的房屋上安装面板的供应商租赁面板（通常可以选择购买），购电协议（PPA） ），如果您同意以设定的价格购买固定年限内的面板产生的电力，太阳能贷款，甚至将初始安装成本计入自己的财产税中，并在您支付费用时多年内还清该金额税收。请参阅例如www.energysage.com/solar/financing/your-financing-options上的“您的太阳能电池板系统融资选择：太阳能贷款，太阳能租赁和PPA”。通常，这些选件以低于公用事业提供的成本提供电力。有吸引力的融资选择是太阳能领域的新圣杯，因为我们在太阳能方面拥有更多经验，面板成本也下降了。

现在，我们进行一下计算，以了解在具有太阳能电池板的房屋中安装存储单元的经济可行性。同样，必须明确增加存储的原因–是预期的节省成本，电网中断期间的备用电源，还是如果要断开与电网的连接就需要存储？有了足够大的太阳能电池板和存储系统，离网房屋就可以日夜满足其所有电能需求，但成本较高。产生此成本的原因是，需要更大的太阳能电池阵列以在白天为房屋供电，并在白天产生足够的备用电量来为存储单元充电并满足夜间需求。它还涉及存储单元的成本，7 kWh或10 kWh足以满足大多数人的夜间需求。在后一种情况下（假设一个20面板阵列（峰值5 kW）和Tesla 10 kWh Powerwall）导致前期成本为（5 kW）x（$ 3.50 / watt）+ $ 5,000 = $ 22,500。（注意：对于刚刚开始投放市场的锂离子电池存储单元，尚无法常规获得诸如太阳能电池板等融资方式。但是，可以合理地预期它们将在不久的将来提供。澳大利亚可再生能源署（arena.gov.au）刚刚发布了一份报告，预测某些电池技术的价格到2020年将暴跌40-60％。）

总可用能量为（33平方米）x（5千瓦时/天/平方米）x（20％）= 33千瓦时/天。对于一年中的大多数日子，这应该足够了，包括为存储单元充满电，除非长时间不寻常的阳光很少。为了解决这种可能性，可能需要备用发电机。

让我们将这种离网情况的成本与我们之前的太阳能电池板示例进行比较，在该示例中，年发电量的62％被太阳能发电所抵消，从而导致年度公用事业电费（38％）x（1,314美元）= 499美元，即每吨41.6美元月。如果将太阳能电池阵列的大小增加到每天提供33 kWh，则每月将增加到$ 45.8。

我们可能会考虑的另一个数字是，如果关税提高，例如在美国某些地区和世界许多其他地区，每月的费用。例如，以每千瓦时0.20美元的实用费率，3.5千瓦系统案例的每月电费将为每月69.3美元，而每千瓦时0.25美元则为86.7美元。

如果以30％的利率以4％的利率借入5,000美元的存储单元成本，这是当今美国的普遍情况，那么每月额外还款额将为23.9美元。

有了这些数字，可能得出什么结论？如今，仅出于节省成本的目的，恢复太阳能系统的成本将花费数年，而带存储系统的成本甚至会更长。但是，仅采用太阳能或太阳能+储能路线会带来其他好处-降低每月电费，防止停电和化石燃料或核电成本增加的可能性，通过减少对传统化石燃料供电的公用事业的需求来减少对环境的影响发电机，以及部分或全部离开电网的可能性。我还想强调，随着传统电力成本的增加，光伏和储能系统成本的降低，融资方式变得更容易获得和更具吸引力，以及人们在太阳能和储能方面的经验越来越多，这些计算方式在未来几年将大不相同。在我看来，朝向太阳能的这种趋势已经在发生，并且是不可避免的，全球朝着主要基于可再生能源的能源系统发展也是如此。

我知道这些简单的计算帮助我更清楚地了解了太阳能经济学。我希望他们为他人做同样的事情，并澄清太阳能和储能在未来的电力供应中将发挥的关键作用。Web上提供了更复杂的模型结果。

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