为什么特斯拉的电池无法用于屋顶太阳能

太阳能光伏系统需要多少电池存储量？我假设屋顶光伏系统将产生足够的电力来满足每年的国内需求，而夏季产生的剩余电力将存储在特斯拉电池中，以供冬季使用。结果是全线发电成本约为$ 35 / kWh。显然，特斯拉电池存储选项在经济上不可行，或者至少在我选择的情况下不可行。

正如Phil Chapman和其他人在评论中指出的那样，这并不是家用太阳能光伏系统可以产生足够的全年电力以使家庭脱离电网的唯一途径。另一个是对系统进行过度设计，使其足够大以在冬季太阳能输出最小时满足需求，而只是减少夏季产生的多余功率。“无存储”选项如何显示？

为了评估无存储情况，我使用了与电池存储情况相同的四种方案（赤道，北纬20、40和60度），并添加了另一种方案（北纬50度）以提供更多细节。以下假设与以前相同：

家庭消费为5,000 kWh /年，全年的家庭需求恒定为13.7 kWh /天，即0.57 kWh /小时。

澄清了一个假设：

云量短期变化的影响被忽略。

这意味着我没有允许异常阴天或异常晴朗的一周或一个月。但是，在用于估算发电量的负荷因子中允许出现浑浊的纬度变化（赤道为15％，北纬20度为17％，北纬40度为16％，北纬50度为12％，60度为10％ N）是从计量面板输出数据得出的。

一个假设被改变。现在，光伏板的方向是提供最大的冬季发电量，而不是全年的最大发电量。为此，面板在60N时必须相对于水平面向南倾斜83度，而不是在水平方向上向南倾斜；面板在40N时应以63度而不是35度的角度倾斜；面板在20N时应以43度而不是18度的角度倾斜；赤道板上的角度应为23度度而不是零度。其影响是除了赤道以外，其他地方的冬季太阳发电量（在60N纬度时增加了21％），并减少了年太阳能发电量（在60N处下降了14％），在赤道上，轨道几何形状的怪异现象产生了相反的效果。

虽然我将其称为“无存储”情况，但不可避免的是，有时屋顶太阳能系统无法产生足够的能量来满足家庭需求，这意味着将需要一些备用存储。为了提供它，我添加了一个10kWh的Tesla电池存储单元，它可以满足至少一个冬天无电的夜晚的需求，以防万一我还添加了一个3kW的备用汽油发电机。（接受“ 100％可再生能源”安装的化石燃料备用。苏格兰的埃格岛（Eigg）用柴油发电机来支持水力，风能和太阳能，加那利群岛（Canaries）的耶罗岛（El Hierro）用10兆瓦的燃油电厂来支持风能/水力发电系统，没有人抱怨。相关：石油市场不能永远忽略基本面

现在来看结果。我们将再次按顺序讨论这些方案。用于构造它们的太阳能模块输出数据来自PVeducation。

赤道上的屋顶太阳能系统：

图1显示了赤道上的屋顶太阳能系统的年发电量，足以满足最小太阳能发电时的需求，该发电板的面板相对于水平方向向南（或向北）倾斜23度，发生在年中。系统细节为：

安装容量：5.4 kW基于消耗的负载系数：年均10.6％6,518 kWh年耗电量：5,000 kWh1,518千瓦时（23％）

图1：需求，消耗和缩减，赤道上的屋顶太阳能系统，面板与水平方向成23度角

但是，如前所述，此选项实际上不如在面板垂直指向上方的情况下调节系统容量以满足最低需求的效率低（图2）。这种情况的细节是：

安装容量：4.0 kW基于消耗的负载系数：14.1％年发电量：5,263 kWh年消耗量：5,000 kWh263千瓦时（5％）

该选件可以使用更小的光伏系统（4.0与5.4kW）来满足需求，并将必须减少的剩余发电量从23％减少到5％。因此，这是我们将要使用的选项。

图2：需求，消耗和缩减，赤道上的屋顶太阳能系统，面板与水平面成零度

北纬20度的屋顶太阳能系统：

图3显示了这种情况下的数据。向南倾斜43度时，会在年底和年中产生一条双峰发电曲线，且曲线最小值。相对于赤道，系统容量仅增加0.1kW，而削减率仍然很低，仅为10％。系统细节为：

安装容量：4.1 kW基于消耗的负载系数：13.9％年发电量：5,556 kWh年消耗量：5,000 kWh556千瓦时（10％）

图3：需求，消耗和缩减，北纬20度的屋顶太阳能系统

北纬40度的屋顶太阳能系统：

图4显示了这种情况下的数据。在这种纬度下，系统容量必须增加到6 kW，才能满足冬季需求，而削减能力变得非常重要，占年总发电量的33％。系统细节为：

安装容量：6.0 kW基于消耗的负载系数：年均9.6％7,429千瓦时年耗电量：5,000 kWh2,429千瓦时（33％）

图4：需求，消耗和缩减，北纬40度的屋顶太阳能系统

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北纬50度的屋顶太阳能系统：

图5显示了这种情况下的数据。在这种纬度系统的容量是赤道的三倍以上的情况下，必须减少一半以上的发电量，并且负载系数必须降至5％以下。系统细节为：

安装容量：12.6 kW基于消耗的负载系数：4.5％年发电量：11,516千瓦时年耗电量：5,000 kWh6,516千瓦时（57％）

图5：需求，消耗和缩减，北纬50度的屋顶太阳能系统

北纬60度的屋顶太阳能系统：

图6显示了这种情况下的数据。在北纬60N，冬日的太阳太弱，以至于需要87kW的装机容量来满足需求，负载系数降至不到1％，年发电量的90％以上被削减。87kW的光伏面板占地超过400平方米，无法安装在大多数屋顶上这一事实也无济于事。系统细节为：

安装容量：87.0 kW基于消耗的负载系数：0.7％年发电量：65570千瓦时年耗电量：5,000 kWh60,570千瓦时（92％）

图6：需求，消耗和缩减，北纬60度的屋顶太阳能系统

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经济学

我根据以下假定的安装成本估算了上述情况的资本成本和现金生产成本（美元），尽管存在不确定性，但这些成本至少应该在球场上：

光伏板：已安装$ 4,000 / kW.10kW Tesla蓄电池存储单元：安装$ 5,000的3kW本田发电机：已安装$ 3,000

我简单地通过将资本成本除以100,000 kWh来估算发电成本，这是假设系统具有20年使用寿命的系统将产生的可用功率。当然，这是一种非常粗糙的方式，但是它是带有屋顶系统的房主通常看待经济的方式。（我的邻居以9000美元的系统每年可节省1000美元的电费，并声称投资回报率为11％。）结果总结在下表中：

图7绘制了现金成本与纬度的关系图：

图7：现金产生成本与纬度，屋顶太阳能系统的对比

从这些结果中我得出以下结论：

1.没有存储的屋顶太阳能选项比以前的文章中讨论的电池存储选项经济得多。

2.热带某些地区的家庭已经可以安装屋顶太阳能系统，这将使他们脱离电网而不会遭受经济损失。在热带纬度地区，屋顶太阳能的现金成本为0.24美元/千瓦时，与许多国家的居民用户现在支付的电网电价相当。

3.纬度限制了屋顶太阳能系统将允许家庭脱离电网的位置。赤道以北（或南部）越远，系统的效率就越低，直到纬度超过40度时，经济学充其量才变得边际，而纬度超过50度时，经济学则变得禁忌了（对不起，苏格兰）。

4.纬度将限制离网型住宅屋顶太阳能的增长，因为北半球的大多数住宅屋顶市场处于较高纬度。

但是，如果您碰巧生活在热带地区，那么使用屋顶太阳能并网发电在经济上仍然可行，对吧？

好吧，不完全是。有障碍。

我的太阳系：

我确实住在热带地区（确切地说是墨西哥的20N纬度），两年前，我在屋顶上安装了2.25kW的光伏电池板，成本约为7,000美元。从那时起，面板的负载率略高于20％，每年发电约4,000 kWh。他们已将我的电网用电量从每年约4,800kWh减少到每年约800kWh，并将我的每月电费从每月100美元以上降低到了每月5美元（墨西哥的电力为低功耗用户提供了大量补贴）。因此，以现金为基础，我的小组将在六到七年内收回成本。

通过安装电池并购买备用发电机，我可以完全脱离电网。我为什么不这样做？

因为这将使我花费数千美元，每年为我节省不到100美元。对于我来说，在需要时从ComisiónFederal de Electricidad购买几千瓦的电能比安装自己的存储要便宜得多。

还有障碍。如果电网成本足够高，则屋顶太阳能系统可能具有整体意义，但是在负荷跟踪方面，电池和备用发电机仍无法与电网竞争。

罗杰·安德鲁斯（Roger Andrews）