旅行汽车网由加利福尼亚州DCupertino的Indradeep Ghosh制作
随着特斯拉Powerwall电池组的最新发布，许多文章都谈到了房主可能会使用它从电网中漏电并在天顶不发光的情况下使用屋顶太阳能发电和电池存储来脱离电网生活。尽管这种想法在理论上似乎很有吸引力，但它面临着巨大的现实挑战，尤其是在设想仅由可再生能源驱动的世界中。本文仔细研究。
为了调查这种情况，让我们从加利福尼亚湾区一个净阳性家庭的能源使用情况开始-能源+家庭。几年前，这所房子被当地一家报纸报道。这是一栋按照当前法规建造的标准，全电，节能，2200平方英尺的房屋。它有一个四口之家-两个在职的成年人和两个孩子。在过去的四年中，该家庭使用11 kW屋顶太阳能电池板和两辆EV（保持96％EV模式的Chevy Volt和Ford Focus Electric）在日常生活中的纯净能量仍为正。所有电动汽车充电都在家里完成。结果，这个家庭连续四年没有在日常生活中燃烧任何天然气，丙烷，木材或汽油。当地公用事业公司PG＆E在每个年度账单周期结束时向家庭发送一张支票，以检查产生的多余能量。
PG＆E的客户使用绿色按钮功能可以每小时按小时获取上述房屋的完整年度能源使用情况和发电情况。上图中显示了2014年的每月和每小时平均使用量数据。数据确实存在一些不均衡之处，无法说明一家人度假的五个星期。该数据保持不变，因为它还包括该家庭每年的常规能源使用情况。各个月份的平均每小时使用情况非常类似于加利福尼亚ISO担心的“鸭子曲线”。从图中可以明显看出，这里必须解决两个不同的能量存储问题。第一个是日常存储问题，因此白天必须存储太阳能以在夜间使用。第二个更重要的问题是季节性储能问题，其中夏季产生的多余太阳能由PG＆E储存，以供冬季使用。房屋的瞬时峰值负载为25 kW，这对几个单相逆变器应该没有问题。
为了指出将需要多少电池存储空间，实施了一个简单的软件程序，可以根据该使用数据模拟电池。该程序只是在电池中累积负数，直到充满电为止。当负载为正时，它将开始耗尽电池，直到电量变为零。然后重复此循环。要使房屋脱离电网，全年的电池电量永远不应为零。否则，房屋将耗尽能量以供使用。电池模拟从夏季开始，一年中有足够的时间来给电池足够的时间以在冬季使用之前充满电。
由于该家庭全年使用约13,500 kWh，因此对家庭的每日平均能耗进行了平均，并首先使用40 kWh的平均每日存储需求进行了模拟。相邻图中显示了各个月的每小时使用情况概况。从曲线可以明显看出，尽管这种日常存储解决了从五月到十月的整个夏季的问题，但是完全不能为冬季供电，因为冬季仍然需要大量电网供电。为了调查需要多少存储空间以便在一年中的任何时间都不从电网取电，逐渐增加了电池大小，并重新运行了模拟。事实证明，离网所需的电池大小高达3018 kWh。特斯拉生产的这种电池将耗资近一百万美元，而且按体积计算可能会占用两个车库！显然，这种暴力手段目前尚不切实际。那么，在湾区仅靠屋顶太阳能离网甚至可行吗？
这里的明显问题是冬天，那里的太阳能发电不足以满足家庭的日常需求。解决此问题的唯一方法是减少冬季消费并增加冬季发电量。事实证明，减少家庭冬季消费的范围很大。冬季消耗的约60％用于空间和热水，其中使用了电热泵。目前房子里的那些是在2010年安装的。从那时起，更高效的热泵投放市场。特别是，热泵热水器的效率从240％提高到324％（松散地说）。热泵空间加热器的平均效率已从300％提高到400％。此外，热泵空间加热器的待机负载为60 W，每年浪费近500 kWh。但是，当前的微型分体式热泵实际上已将待机负载降低到零。最后，可以用最近引入美国市场的热泵式干衣机代替室内的电动干衣机。这种干燥机将使干燥机能耗降低50％。如果在房屋中更换上述三种电器，冬天的能耗可降低25％，夏天的能耗可降低15％。
最大化屋顶的卫星图像。
为了增加发电量，必须加大太阳能电池板的尺寸。到目前为止，太阳能电池板很昂贵，其想法是完全抵消年度能源消耗。通过上面的讨论，此选型策略将不起作用，因为它在冬季生成时会很不足。由于海湾地区的冬季日照量是夏季日照量的一半，因此对于离网配置，太阳能电池板的尺寸应为以前的两倍，以平衡月度消耗量。这将在夏季导致巨大的过发电量，此时必须通过断开阵列的连接来减少发电量。另外，可能会出现屋顶面积用完的问题。从相邻的图片可以看出，屋顶已满。但是，如果将当前效率为15％的太阳能电池组件替换为当前市场上可用的22％效率的太阳能电池组件，则太阳能电池阵列的大小可以增加到16 kW。
这两种策略是在模拟器中实现的，根据上述可能的方案，使用情况配置文件中的负载减少了，发电量增加了，并且在没有电池的情况下再次显示了各个月的小时使用情况配置文件。现在可以观察到，即使在冬天，也有大量的太阳能发电，以抵消每月的消耗，而在夏天，则有大量的过剩发电。
接下来，再次在这个新的负载配置文件上运行电池模拟，直到在任何时候都没有从电网汲取电力为止。这次，电池需求为349 kWh，更易于管理。最终的每小时负荷曲线显示在旁边的图表中。具有16 kW高效太阳能电池阵列的这种系统的当前估计成本约为150,000美元，因此除了少数几个之外，其他所有人都无法承受。
然而，在10年内，预计太阳能安装成本将降至1美元/瓦，锂电池的成本将降至100美元/ kWh。在这种情况下，约50,000美元将产生一个系统，该系统几乎可以全年为所有家庭提供生活所需的能源，并且不需要电网。目前电池中的5,000个循环容量足以满足50年以上的使用寿命，因为大多数电池大部分时间都不会使用。
另外，需要一个智能的电池充电/放电控制器来随着时间的推移均匀地使用电池单元。随着我们朝着季节性日照变化较小的热带地区发展，这样的系统将变得更加可行和便宜。相反，要实现这一目标将变得更加困难，因为我们将更多地转向北方纬度，并且将需要冬季可再生能源发电和季节性能源存储的替代策略。但是，根据以上分析，对于湾区家庭而言，仅靠屋顶太阳能和电池脱离电网的可能性似乎是在不到十年的时间内实现的。
