中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：“光伏+儲(chǔ)能”大熱，傳說(shuō)已經(jīng)在北美造成了“脫網(wǎng)"的趨勢(shì)。但家用式儲(chǔ)能產(chǎn)品近期很糾結(jié)。最近，特斯拉宣布其家用式儲(chǔ)能電池Powerwall 10kwh型號(hào)產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn)。
特斯拉是在去年發(fā)布了兩款家用式儲(chǔ)能產(chǎn)品Powerwall，分別是備份應(yīng)用優(yōu)化的10kWh版和日常使用優(yōu)化的6.4kWh版。這回10kwh為啥停產(chǎn)？性價(jià)比低。據(jù)GTM Research高級(jí)儲(chǔ)能分析師Manghani，對(duì)于只需提供500次循環(huán)的純粹的電力備份來(lái)說(shuō)，鉛酸電池或發(fā)電機(jī)組的方式更經(jīng)濟(jì)，比特斯拉這款產(chǎn)品的成本一半還低。
不過(guò)，雖然10kwh的產(chǎn)品下架了，Powerwall 6.4kwh型號(hào)產(chǎn)品仍然在售。據(jù)埃隆馬斯克表示，一項(xiàng)新的Powerwall產(chǎn)品將在今年夏天發(fā)布。這將是前兩款產(chǎn)品的升級(jí)版。
通過(guò)“光伏+儲(chǔ)能”脫網(wǎng)肯定是付出更多的成本，埃隆馬斯克自己就說(shuō)過(guò)：“在美國(guó)，每日循環(huán)使用的Powerwall成本基本高于電網(wǎng)。如果有人想要脫離電網(wǎng)，必然會(huì)承擔(dān)更為昂貴的開(kāi)支?！眴?wèn)題是，即便有足夠多數(shù)量的“光伏+儲(chǔ)能”，想要脫離大電網(wǎng)，從技術(shù)上來(lái)看也很遙遠(yuǎn)。今天推薦這篇電力技術(shù)控的文章，到底需要多大容量的太陽(yáng)能電板和電池，用戶才能對(duì)大電網(wǎng)說(shuō)拜拜？
現(xiàn)實(shí)版“鋼鐵俠”馬斯克（ElonMusk）去年推出了一款革命性的能源產(chǎn)品——電池能量墻（Powerwall），與太陽(yáng)能電板整合成一套清潔、智能甚至獨(dú)立的家庭能源系統(tǒng)（見(jiàn)圖一）。這一超大號(hào)的“充電寶”在白天儲(chǔ)存多余的太陽(yáng)能發(fā)電，在晚上供應(yīng)家用。
馬斯克誓言要從根本上改變世界使用能源的方式，但實(shí)際上他并不是第一個(gè)提出“太陽(yáng)能＋電池”的人。但同樣，馬斯克也不是第一個(gè)開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)的人，可特斯拉的橫空出世，證明了他可怕的洞察力和執(zhí)行力。
對(duì)于我這個(gè)傳統(tǒng)的大電網(wǎng)工程師，更可怕的是發(fā)現(xiàn)在特斯拉的藍(lán)圖里找不到大電網(wǎng)的位置。利用“太陽(yáng)能＋電池”形成一個(gè)獨(dú)立的家庭小電網(wǎng)、脫離大電網(wǎng)（“脫網(wǎng)”，Grid Defection）而獨(dú)立運(yùn)行這一新概念正在慢慢成形。很多特斯拉的擁躉者認(rèn)為一旦特斯拉的超級(jí)電池工廠（Gigafactory）建成后，電池制造成本將大幅下降，擺脫大電網(wǎng)這個(gè)第二次工業(yè)革命的陳舊產(chǎn)物將指日可待；作為一個(gè)大電網(wǎng)工程師，模模糊糊的直覺(jué)是脫網(wǎng)不太可能，但特斯拉網(wǎng)站上那被涂上灰色叉圈的電線塔確是清晰的印在腦海深處。
未來(lái)到底怎樣？我無(wú)法預(yù)測(cè)。但我有一個(gè)理念：任何脫離數(shù)據(jù)的純定性分析都是耍流氓，因此我試圖通過(guò)基于實(shí)際數(shù)據(jù)的定量分析來(lái)回答一個(gè)問(wèn)題：到底需要多大容量的太陽(yáng)能電板和電池，用戶才能對(duì)大電網(wǎng)說(shuō)拜拜？
于是我這個(gè)電網(wǎng)工程師客串了一把軟件工程師，寫(xiě)了一個(gè)規(guī)劃小工具——只要輸入你的用電和日照情況，它會(huì)告訴你需要安裝多大容量的太陽(yáng)能電板和電池，就能徹底和大電網(wǎng)說(shuō)拜拜。用電和日照數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上要達(dá)到一年期的長(zhǎng)度和每小時(shí)的精度。只要有用電和日照數(shù)據(jù)，這個(gè)工具可用于任意地區(qū)和類(lèi)型的用戶。由于手頭只有美國(guó)德州居民用戶用電和日照數(shù)據(jù)，在此只分析德州居民對(duì)電網(wǎng)Say Goodbye的可行性。
輸入的數(shù)據(jù)是這樣的：
通過(guò)智能電表，讀取了德州某戶居民每隔15分鐘的全年用電數(shù)據(jù)，如圖二所示。對(duì)全年35040個(gè)用電數(shù)據(jù)分析表明：此戶居民全年用電量共10388kWh（度），最高用電功率8.4kW（千瓦），年用電高峰在炎熱的夏季（6月、7月、8月和9月）。
當(dāng)?shù)厝昝啃r(shí)日照信息（TMY3數(shù)據(jù)）顯示，屋頂太陽(yáng)能電板的毛年利用小時(shí)數(shù)約為1901小時(shí)，在扣除太陽(yáng)能電板及變頻器約20%損耗后，實(shí)際年利用小時(shí)數(shù)約為1521小時(shí)。這個(gè)數(shù)字與美國(guó)能源部下屬國(guó)家實(shí)驗(yàn)室NREL的PVWatts軟件對(duì)當(dāng)?shù)氐姆治鼋Y(jié)果十分接近。由于每天日照時(shí)間有限，光照強(qiáng)度高的時(shí)間更有限，所以太陽(yáng)能發(fā)電的年利用小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一年的總時(shí)數(shù)(8760)。注:太陽(yáng)能電板的年利用小時(shí)數(shù)=年發(fā)電量/額度功率。
根據(jù)特斯拉官網(wǎng)Powerwall的產(chǎn)品介紹，目前在售的Powerwall只有一個(gè)版本：6.4度容量的日循環(huán)版（DailyCycle），售價(jià)3000美元，充電/放電效率為92%。特斯拉還曾推出可循環(huán)充放500次10度容量的周循環(huán)版（WeeklyCycle）Powerwall，售價(jià)3750美元，但由于不滿足加州自發(fā)電激勵(lì)計(jì)劃（SGIP）每周循環(huán)充放5次的要求及與其他非鋰電池相比在價(jià)格上的劣勢(shì)，需求不足，特斯拉近期悄然停產(chǎn)了周循環(huán)版本的Powerwall。不過(guò)特斯拉宣布將在今年夏天推出更大容量更便宜的新版本Powerwall。
計(jì)算出來(lái)的太陽(yáng)能電板容量是這樣的：
安裝7.2千瓦的屋頂太陽(yáng)能電板，全年發(fā)電量約為10938度，扣除電池的550度電能損耗后，可滿足用戶的全年用電需求。太陽(yáng)能電板的月輸出電量見(jiàn)上面的圖二。
據(jù)保守估計(jì)，1平方米面積的屋頂太陽(yáng)能電板輸出功率在130瓦以上，7.2千瓦的太陽(yáng)能電板占屋頂面積不到60平方米?？紤]到德州獨(dú)棟屋的屋頂面積，安裝這個(gè)尺寸的太陽(yáng)能電板綽綽有余。
計(jì)算出來(lái)的電池容量讓人大跌眼鏡：
跟電網(wǎng)說(shuō)拜拜之后，太陽(yáng)能發(fā)電和居民用電的不匹配就必須完全由電池來(lái)平衡。如上面的圖二所示，相比居民用電明顯的季節(jié)效應(yīng)（夏季四個(gè)月用電量占全年用電量的65%），太陽(yáng)能發(fā)電的季節(jié)效應(yīng)十分微弱，這意味著需要極大容量的年循環(huán)版電池來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)期的電力電量平衡。這個(gè)結(jié)果也否定了業(yè)界原本很流行的一個(gè)假設(shè)：“太陽(yáng)能+電池”脫網(wǎng)供電系統(tǒng)的瓶頸在遇到多個(gè)連續(xù)的陰雨天。
基于每小時(shí)的“電源－負(fù)荷”差額分析顯示，電池累計(jì)充放電的年高峰、低谷分別為1970度（充電）和-700度（放電），這意味著在理想電池充電深度（SOC，0%～100%）的情況下，需要2670（1970+700）度容量的電池才能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期脫網(wǎng)運(yùn)行。據(jù)了解，在現(xiàn)實(shí)工況下一般電池的充電深度區(qū)間約在15%～90%，考慮這個(gè)約束后，電池的容量要求將上升到3600度。如果換算成特斯拉6.4度容量的日循環(huán)版Powerwall，需要花費(fèi)約170萬(wàn)美元安裝562個(gè)Powerwall才能滿足長(zhǎng)期脫網(wǎng)運(yùn)行的要求。根據(jù)官網(wǎng)公布的尺寸：86厘米（寬）×130厘米（高），562個(gè)Powerwall占?jí)γ娣e為628平方米，估計(jì)要裝滿十個(gè)房間墻壁。
電池的年充電深度曲線見(jiàn)圖三，在夏季高峰前，電池的儲(chǔ)能達(dá)到最高峰3220度（89.5%充電深度），在夏季結(jié)束后，電池儲(chǔ)能降為550度（15.3%充電深度），等待秋、冬、春的三個(gè)充電季節(jié)的來(lái)臨。
在特斯拉的眼里，電網(wǎng)好比固話、電池好比手機(jī)，用電池替代電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)固話時(shí)代從移動(dòng)時(shí)代的跨越，是一次很自然的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。但現(xiàn)實(shí)不一定如設(shè)想的那么浪漫，這很可能是特斯拉的一廂情愿。在美國(guó)德州，如果不大幅度改變家庭用電方式，依靠“太陽(yáng)能+電池”來(lái)脫離電網(wǎng)幾乎是不可能完成的任務(wù)。從另一個(gè)角度看，電網(wǎng)能滿足幾千萬(wàn)個(gè)甚至幾億個(gè)家庭變化無(wú)常的用電需求，也可以稱之為一個(gè)超級(jí)“大電池”。
本文只針對(duì)極端的脫網(wǎng)情況，并無(wú)意對(duì)“太陽(yáng)能＋電池”這一黃金搭檔做任何的批評(píng)。作為一個(gè)電網(wǎng)工程師，我歡迎更多的太陽(yáng)能和電池出現(xiàn)在電網(wǎng)里。目前電網(wǎng)是按照全年最高用電功率設(shè)計(jì)的，往往為了那持續(xù)不到一小時(shí)的最高負(fù)荷額外配置大量電網(wǎng)設(shè)備、浪費(fèi)了大量的資金。太陽(yáng)能和電池都可以大大降低對(duì)電網(wǎng)設(shè)計(jì)容量的要求，不管從電網(wǎng)規(guī)劃還是運(yùn)行來(lái)說(shuō)，都是一件大好事！更不用說(shuō)環(huán)保的益處。當(dāng)然，一旦太陽(yáng)能容量在電網(wǎng)的滲透率過(guò)高，會(huì)引起某些技術(shù)問(wèn)題，但這些都可以通過(guò)技術(shù)和市場(chǎng)手段解決。還有一個(gè)個(gè)人意見(jiàn)：沒(méi)有新能源，電力系統(tǒng)會(huì)很無(wú)趣。
原標(biāo)題:特斯拉Powerwall低調(diào)停產(chǎn)，“光伏+儲(chǔ)能”離脫離電網(wǎng)還有多遠(yuǎn)？
