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特斯拉Powerwall低调停产 “光伏+储能”离脱离电网还有多远?

  2016-03-25
导读:“光伏+储能”大热,传说已经在北美造成了“脱网"的趋势。但家用式储能产品近期很纠结。最近,特斯拉宣布其家用式储能电池Powerwall 10kwh型号产品已经停产。

特斯拉是在去年发布了两款家用式储能产品Powerwall,分别是备份应用优化的10kWh版和日常使用优化的6.4kWh版。这回10kwh为啥停产?性价比低。据GTM Research高级储能分析师Manghani,对于只需提供500次循环的纯粹的电力备份来说,铅酸电池或发电机组的方式更经济,比特斯拉这款产品的成本一半还低。

不过,虽然10kwh的产品下架了,Powerwall 6.4kwh型号产品仍然在售。据埃隆马斯克表示,一项新的Powerwall产品将在今年夏天发布。这将是前两款产品的升级版。

通过“光伏+储能”脱网肯定是付出更多的成本,埃隆马斯克自己就说过:“在美国,每日循环使用的Powerwall成本基本高于电网。如果有人想要脱离电网,必然会承担更为昂贵的开支。”问题是,即便有足够多数量的“光伏+储能”,想要脱离大电网,从技术上来看也很遥远。今天推荐这篇电力技术控的文章,到底需要多大容量的太阳能电板和电池,用户才能对大电网说拜拜?

现实版“钢铁侠”马斯克(ElonMusk)去年推出了一款革命性的能源产品——电池能量墙(Powerwall),与太阳能电板整合成一套清洁、智能甚至独立的家庭能源系统。这一超大号的“充电宝”在白天储存多余的太阳能发电,在晚上供应家用。

马斯克誓言要从根本上改变世界使用能源的方式,但实际上他并不是第一个提出“太阳能+电池”的人。但同样,马斯克也不是第一个开发电动汽车的人,可特斯拉的横空出世,证明了他可怕的洞察力和执行力。

对于我这个传统的大电网工程师,更可怕的是发现在特斯拉的蓝图里找不到大电网的位置。利用“太阳能+电池”形成一个独立的家庭小电网、脱离大电网(“脱网”,Grid Defection)而独立运行这一新概念正在慢慢成形。很多特斯拉的拥趸者认为一旦特斯拉的超级电池工厂(Gigafactory)建成后,电池制造成本将大幅下降,摆脱大电网这个第二次工业革命的陈旧产物将指日可待;作为一个大电网工程师,模模糊糊的直觉是脱网不太可能,但特斯拉网站上那被涂上灰色叉圈的电线塔确是清晰的印在脑海深处。

未来到底怎样?我无法预测。但我有一个理念:任何脱离数据的纯定性分析都是耍流氓,因此我试图通过基于实际数据的定量分析来回答一个问题:到底需要多大容量的太阳能电板和电池,用户才能对大电网说拜拜?

于是我这个电网工程师客串了一把软件工程师,写了一个规划小工具——只要输入你的用电和日照情况,它会告诉你需要安装多大容量的太阳能电板和电池,就能彻底和大电网说拜拜。用电和日照数据在时间轴上要达到一年期的长度和每小时的精度。只要有用电和日照数据,这个工具可用于任意地区和类型的用户。由于手头只有美国德州居民用户用电和日照数据,在此只分析德州居民对电网Say Goodbye的可行性。

输入的数据是这样的:

通过智能电表,读取了德州某户居民每隔15分钟的全年用电数据,如图二所示。对全年35040个用电数据分析表明:此户居民全年用电量共10388kWh(度),最高用电功率8.4kW(千瓦),年用电高峰在炎热的夏季(6月、7月、8月和9月)。

当地全年每小时日照信息(TMY3数据)显示,屋顶太阳能电板的毛年利用小时数约为1901小时,在扣除太阳能电板及变频器约20%损耗后,实际年利用小时数约为1521小时。这个数字与美国能源部下属国家实验室NREL的PVWatts软件对当地的分析结果十分接近。由于每天日照时间有限,光照强度高的时间更有限,所以太阳能发电的年利用小时数远远低于一年的总时数(8760)。注:太阳能电板的年利用小时数=年发电量/额度功率。

根据特斯拉官网Powerwall的产品介绍,目前在售的Powerwall只有一个版本:6.4度容量的日循环版(DailyCycle),售价3000美元,充电/放电效率为92%。特斯拉还曾推出可循环充放500次10度容量的周循环版(WeeklyCycle)Powerwall,售价3750美元,但由于不满足加州自发电激励计划(SGIP)每周循环充放5次的要求及与其他非锂电池相比在价格上的劣势,需求不足,特斯拉近期悄然停产了周循环版本的Powerwall。不过特斯拉宣布将在今年夏天推出更大容量更便宜的新版本Powerwall。

计算出来的太阳能电板容量是这样的:

安装7.2千瓦的屋顶太阳能电板,全年发电量约为10938度,扣除电池的550度电能损耗后,可满足用户的全年用电需求。太阳能电板的月输出电量见上面的图二。

据保守估计,1平方米面积的屋顶太阳能电板输出功率在130瓦以上,7.2千瓦的太阳能电板占屋顶面积不到60平方米。考虑到德州独栋屋的屋顶面积,安装这个尺寸的太阳能电板绰绰有余。

计算出来的电池容量让人大跌眼镜:

跟电网说拜拜之后,太阳能发电和居民用电的不匹配就必须完全由电池来平衡。如上面的图二所示,相比居民用电明显的季节效应(夏季四个月用电量占全年用电量的65%),太阳能发电的季节效应十分微弱,这意味着需要极大容量的年循环版电池来进行长期的电力电量平衡。这个结果也否定了业界原本很流行的一个假设:“太阳能+电池”脱网供电系统的瓶颈在遇到多个连续的阴雨天。

基于每小时的“电源-负荷”差额分析显示,电池累计充放电的年高峰、低谷分别为1970度(充电)和-700度(放电),这意味着在理想电池充电深度(SOC,0%~100%)的情况下,需要2670(1970+700)度容量的电池才能实现长期脱网运行。据了解,在现实工况下一般电池的充电深度区间约在15%~90%,考虑这个约束后,电池的容量要求将上升到3600度。如果换算成特斯拉6.4度容量的日循环版Powerwall,需要花费约170万美元安装562个Powerwall才能满足长期脱网运行的要求。根据官网公布的尺寸:86厘米(宽)×130厘米(高),562个Powerwall占墙面积为628平方米,估计要装满十个房间墙壁。

电池的年充电深度曲线见图三,在夏季高峰前,电池的储能达到最高峰3220度(89.5%充电深度),在夏季结束后,电池储能降为550度(15.3%充电深度),等待秋、冬、春的三个充电季节的来临。

在特斯拉的眼里,电网好比固话、电池好比手机,用电池替代电网,实现固话时代从移动时代的跨越,是一次很自然的产业升级。但现实不一定如设想的那么浪漫,这很可能是特斯拉的一厢情愿。在美国德州,如果不大幅度改变家庭用电方式,依靠“太阳能+电池”来脱离电网几乎是不可能完成的任务。从另一个角度看,电网能满足几千万个甚至几亿个家庭变化无常的用电需求,也可以称之为一个超级“大电池”。

本文只针对极端的脱网情况,并无意对“太阳能+电池”这一黄金搭档做任何的批评。作为一个电网工程师,我欢迎更多的太阳能和电池出现在电网里。目前电网是按照全年最高用电功率设计的,往往为了那持续不到一小时的最高负荷额外配置大量电网设备、浪费了大量的资金。太阳能和电池都可以大大降低对电网设计容量的要求,不管从电网规划还是运行来说,都是一件大好事!更不用说环保的益处。当然,一旦太阳能容量在电网的渗透率过高,会引起某些技术问题,但这些都可以通过技术和市场手段解决。还有一个个人意见:没有新能源,电力系统会很无趣。
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