屋顶太阳能+储能=飓风能效

佛罗里达州怎么样？阳光州的能源效率，太阳能和监管落后

第八部分：屋顶太阳能+储能=飓风能效

图1：2017年9月8日，飓风``艾玛''在佛罗里达州肆虐。（NOAA）

通过屋顶太阳能和电力存储提高防灾能力

飓风“艾尔玛”（Irma）袭击后，一系列投诉来自一些安装了太阳能光伏系统的人，这些人在电网故障时无法使用产生的太阳能。通常，房主已经为光伏系统花费了数千美元，并且当暴风云散开并且阳光在被雨水浸湿的街道上出来时，这些房主有望使用其光伏模块产生的电力。

但是，可以肯定的是，当太阳出来时，成千上万的其他安装了太阳能系统的家庭也可以使用这些系统来运行冰箱，给电话充电甚至运行小型空调。

有什么区别？飓风艾尔玛过后，佛罗里达州中部的许多太阳能发电系统如何运作？

住宅太阳能系统飓风后评估

厄玛飓风是多年来袭击佛罗里达州最强的飓风之一。屋顶太阳能系统的一个共同关注点是，在遭受重大飓风袭击后，仍将运行多少个问题？他们会幸免于难吗？

事实证明，几乎所有设备仍在运行。我从佛罗里达州中部的调查安装人员那里学到了这一点，以了解情况如何。

图2：飓风“艾尔玛”（Irma）袭击后倒下的电线。当恢复电力时，并网的太阳能系统将断开，以在恢复连接的同时使电网保持关闭状态。（盖蒂图片社）

首先，请务必了解，根据设计，当电网关闭时，并网系统会关闭。在没有备用电池的所有光伏系统中都可以看到这一点。为了保护那些恢复到禁用电网的电力，当光伏系统检测到线路电压丢失时，光伏系统将停止通过电力线回送电力。这种保护是必不可少的。

具有断电备用功能的离网系统在断电后停电时可以很好地工作，但是在美国大约一百万个光伏系统中，绝大多数是按净计量方式（不是离网）并且没有电池。但是，此问题并未扩展到所有并网系统。

一些较新的SMA Sunny Boy逆变器具有SMA安全电源（SPS）这是一个附加组件，可在断电时从逆变器提供两个120伏插头，最多可提供16安培的负载（2000瓦）。后爱尔玛时代，佛罗里达州的许多安装了这些系统的人都可以在太阳升起时插入冰箱，电话和风扇。对在佛罗里达州安装净计量光伏系统的那些人的主要建议是，除非安装了备用电池系统，否则应首选这些系统。当前，具有此功能的SMA逆变器是TL-22，TLS-US和US-40逆变器。

飓风过后，我与佛罗里达州中部的两名著名太阳能安装人员进行了交谈：两家公司之间，在佛罗里达州中部已经安装了将近2,000个太阳能系统，Brevard Solar的Jim Spann和Solar-Ray Inc.的Michael Brown。

Irma袭击时，Brevard Solar已安装了800多个系统。他的系统中大约有50个位于杰克逊维尔地区，另外250个位于坦帕附近，另外500个位于太空海岸沿线的布里瓦德县。典型的已安装系统大小约为8-10 kWdc，带有两个逆变器，每个逆变器均带有安全的电源插头。截至2017年夏末，他的公司已安装了33,000多个太阳能模块/面板。在安装的33,000个模块中，只有8个模块在风暴中脱落，所有这些模块都安装在地面安装系统上。车顶安装系统没有问题，Spann将其归因于通常部署的坚固的时速150 mph，3轨车顶安装系统设计。此外，飓风离开后，几乎所有系统仍在运行，因为Spann能够通过他办公室的监控来确定，他自己的备用电源太阳能可以正常运行。

在800个系统中，其中约680个是集中监控的SMA逆变器系统，Spann第二天就可以查看错误代码和系统状态。尽管大多数都不再连接到电网，但所有设备都在运行。Spann报告说，在具有安全电源插头的680个系统中，除12个之外的所有系统均按预期运行。确实，Brevard Solar能够实时监控其客户如何使用安全电源插头！

但是，他确实指出，一些较新的冰箱在启动时消耗的功率超过了安全插头所能提供的功率（这很可能是由于设备在重新通电时试图用除霜加热器进行除霜）。Spann估计，在使用安全电源的情况下，白天约有一半的客户能够成功操作冰箱。我与这些客户中的一位进行了交谈，他们能够在白天使用安全电源操作冰箱，制冰并冷却其中的物品，这样即使晚上不打开冰箱，他也能正常工作并且没有食物损失。

Brevard Solar还拥有约30个带有备用电池的系统。这些通常是带TL逆变器的SMA系统和Sunny Island电池系统。除了其中之一，其他所有工具都运行良好。尽管Spann指出，用户通常对他们的典型负载情况持乐观态度。在一个有问题的系统中，房主正在操作许多冷冻机和冰箱，这样，在大约凌晨5:00时，系统将通过低压断开（LVD）来关闭。尽管他根据过去两年的经验看到现在市场正在扩大，但他并不是当前电池备用系统的忠实拥护者。它们的安装成本通常为10,00–15,000美元，并且由于需要对电池进行浮充电，因此还将所涉及的太阳能系统的电网输出降低（5％–10％）。

Spann建议在风暴过后使用弹性电源，是将SMA逆变器提供的安全电源与标准的燃气发电机一起使用，以大大减少燃料消耗和白天的噪音。他确实指出，但是，您白天没有运行发电机这一事实并不意味着您会受到噪音的干扰，因为任何一方的邻居也会经常运行发电机。Spann认为，未来的最佳操作是将带有安全电源的带有逆变器的太阳能系统与带有车辆到房屋（VTH）的电动汽车一起用作应急电池系统。我们注意到，这种配置已经在日本的新型Nissan LEAF中提供，该功能具有此功能，可在紧急情况或削峰时提供高达6 kW的功率。这项重要功能何时会在美国推出？

可能需要指出的是，2011-2015年雪佛兰Volt有一些售后套件，它们具有类似的功能。另外，该车还内置有大型汽油发电机。无论如何，PHEV和EV在未来至少以有限的方式用作应急电池似乎是不可避免的。

因此，在伏特的情况下，拥有电动或插电式电动车可能为应急家用电池甚至发电机提供动力。

Spann进一步表示，他的客户中有三分之一已经拥有电动或插电式电动汽车，或计划购买一辆。他确实表示，他们现在正在安装更多的“ SMA蓄能型” SMA Tripower逆变器系列，以添加Tesla Powerwall，Sonnen或其他此类不断发展的电池系统。他还指出，这些系统的成本通常约为6,000美元，但不包括为关键负载设置子面板所需的电气工作（绝对必要）。这将使成本增加$ 4,000或更多。

大约680个SMA系统具有安全的电源系统，因此房主能够在太阳出来时使用安全的电源插头来操作冰箱，电池充电器，甚至某些小窗户的空调。

Solar-Ray，Inc.的Michael Brown.,是佛罗里达州中部的一家经验丰富的大型光伏安装公司，当Irma袭击时，它在现场拥有超过1,000个屋顶系统。其中一半以上受到集中监控，因此布朗在他的办公室中拥有光伏和电池后备功能，可以追踪系统的运行状况，并可以观察到风暴过后的电网故障。

图3：Michael Brown与Solar-Ray，Inc.

在800多个并网系统中，只有一个在风暴过后有任何物理故障（单个站点的屋顶本身有问题）。电网恢复后，所有其他系统均能正常运行-尽管，布朗接到了许多担心的房主的电话，他们看着逆变器产生的错误代码。更好的是，在现场，Brown拥有200多个带有SPS插座的SMA逆变器，当太阳升起时，该逆变器就可以供电。这些也完美地工作了。“人们喜欢他们，”布朗说。“白天大多数运行的冰箱将它们冷却下来并制冰，然后将它们关闭直到第二天太阳出来。”

另一个真正的解决方案是拥有带有备用电池的PV系统，该系统可以实现全孤岛，例如Sonnen或Tesla Powerwall系统。孤岛是光伏系统在中断期间与公用电网隔离的同时，直接为连接的家庭负载提供服务的能力。这一点很重要，因此不要将任何电能馈入电网，这可能会伤害正在做着重要工作的公用事业人员，这些公用事业人员正在维修被中断的电力线。

完全的备用电池功能可以使PV供电的房屋在发生电源故障时基本上可以像使用电池的离网房屋一样工作。两个示例电池系统是Sonnen和Tesla Powerwall 2系统。Sonnen Eco系统具有4–16 kWh的备用电池，具体取决于所购买的配置（流行10 kWh），而Tesla Powerwall则为13.5 kWh。尽管这些系统允许带电池的PV系统充分使用并具有灵活性，但它们仍然昂贵。例如，特斯拉Powerwall系统的售价为5500美元，但安装费用通常为4,000美元或更高，并且可能涉及各种费用和批准。

图4：Tesla Powerwall和Tesla墙连接器。

布朗在爱尔玛之后评估的数千个系统中，他发现了许多备用电池系统中的问题。“这些问题大部分归因于未维护的旧电池。”但是，当新型交流耦合系统由于低压断开（LVD）而无法运行时，它们也遇到了问题。布朗针对这些问题的解决方案是偏爱诸如Outback系列之类的充电控制器类型的系统。他仍然同意，在持续断电的情况下，此功能可能会非常有用。确实，在他自己的办公室中，在一个大型光伏阵列和几千瓦时备用电池之间，他能够在Irma之后的关键一周内正常运行。

当然，实际上，家庭用电存储将允许负载转移，这对于公用事业而言可能具有重大价值，并且可以解决太阳能的最大局限性-解决太阳落山后现有的大量负载并平滑住宅负载曲线。无论如何，佛罗里达州的房主在安装带有电池的太阳能电力系统时将拥有一个房屋，该房屋的设计旨在防止长达一周的电源中断。这些问题是：

♦制冷：没有冷藏，粮食就会流失，家庭经营和供餐的能力将受到严重损害。

♦照明，风扇和充电：一个人需要照明才能看到，收音机和电话需要适量的电力。没有空调，风扇是必须的，否则在闷热的佛罗里达州很难入睡。充电对于手机和电池供电的工具都是很重要的，而在手机和电池供电的工具中，房屋周围不可避免地需要维修。

♦散热：在每个爱尔玛后幸存者名单上，这个数字都接近顶部。中央交流系统非常耗电，只能消耗3000-4000瓦的240伏电力，对于大多数发电机来说，这是不可能的。但是，对于微型分体式热泵却不是这样，微型分体式热泵在可用的120伏型号中只能提供约500瓦的冷却。确实，由于效率高并且有可能使用中央补充微型分流热泵，因此家庭将装有空调，并且在飓风过后能够正常运行。此类120伏系统可从Home Depot和其他家庭商店中轻松获得。

辅助微型分体式热泵的惊人价值

图5：在站点60处的实测冷却，其中添加了一个附加的微型分流式热泵，使冷却能量降低了33％，热量降低了近70％。（FSEC）

请注意，可以对上述微型分体式热泵进行设置，以便将其插入普通的120伏墙上插头，以便在暴风雨后可以从屋顶太阳能系统获得冷却。此外，重要的是要指出，根据针对FPL和美国能源部的研究，您家中有一个辅助微型分体式热泵（与上述类似）将使预期的供热和制冷量降低约34％。在我们的小型研究中，我们对10所房屋进行了测量，发现它们平均每年节省2010千瓦时，按佛罗里达州的平均电价计算，价值240美元。

图6：主起居室中央补充小型分体式热泵。

这不仅可以在系统出现故障的情况下提供冗余的加热和冷却系统，而且还可以在飓风过后提供潜在的冷却能力，因此可节省大量资金。

不过，我将在本部分的另一段中提醒您，提高房屋效率以及太阳能和电池存储效率是您的防灾能力投资价值的三倍。请记住，在使用所有LED照明的情况下，使用电池电源时晚上的夜间电力需求会减少，内部热量的释放也会降低。（您在家中使用的每瓦特都会释放1瓦特的热量，这会升高室内的温度，或者需要更多的能量才能通过空调清除。在夏天保持热量也很重要。有了更多的天花板隔热材料，更紧凑的房屋和隔热的窗户，您对制冷的需求就降低了，邻居的室外发电机发出的噪音也被消除了。另外，如果您没有电源，则房屋的升温速度会更慢，隔热效果更好，而高效的室内电器将散发出更少的热量。最后，借助所有这些功能，您的电池系统（无论是完整的孤岛系统还是插电式汽车的应急电池）都可以走得更远。

拥有适度光伏系统并配有备用电池的房屋，可以为所有这些必需品提供电池，以使其在晚上进行白天的蓄电充电。因此，我指出，应该激励佛罗里达的公用事业公司鼓励使用储能的家用光伏系统。

当前，许多投资者所有的公用事业公司仍然对屋顶并网太阳能发电系统持反对态度，这主要是因为这种光伏系统的收入损失。相反，佛罗里达州的公用事业公司应该鼓励采用带电存储的光伏系统，在正常情况下，公用事业公司可以操纵这些系统来减轻负载。尽管美国由于对光伏组件收取费用而滞后，但世界其他地区仍在走向清洁能源的未来。的确，就在今天，特斯拉宣布了为期四年的努力，以建立一个虚拟太阳能发电厂，该发电厂将使用位于南澳大利亚州的50,000户带有屋顶太阳能和PowerWall2的房屋。

尽管此工作将在正常情况下创建更平滑的住宅用电需求曲线，但在紧急情况下仍将具有巨大的优势。确实，在没有电网电源的风暴后，这样的系统对于拥有它们的人来说将是一个天赐之物。

图7：带光伏的Sonnen备用电池系统图（Sonnen）

有了屋顶太阳能和电池存储，基本上可以得到一个房子级别的不间断电源-一个人家王国的UPS。另外，如果有人使用插电式混合动力或全电动汽车，则可以使用屋顶光伏系统为汽车充电，从而实现无汽油行驶-鉴于飓风“伊尔玛”（Hurricane Irma）出现在加油站的加长天然气管道，这是非常理想的。此外，如果有人使用日产LEAF并在日本展示了这种新兴能力（如前所述），则有可能将汽车用作应急车辆的车到户（VTH）电源。特斯拉，通用汽车和福特，您在听吗？

车辆到房屋（VTH）是一种潜在的变革性技术。为什么？

1）考虑到太阳能成本，断电是不合理的（甚至是健康的）。请注意，在波多黎各，六个月后有一百万人没有通电。

2）每辆EV或PHEV都变成了一个大的，免费的免费应急电池，超出了满足家庭基本电力需求的能力，尤其是一种效率更高的电池。

3）使用标准的1级充电器，电动汽车或插电式混合电动汽车可以用PV充电–视地理位置而定，通常每天每kWdc约3-5 kWh（佛罗里达州通常为4 kWh /天/ kWdc）。通常范围为0.25 – 0.33 kWh /英里，这意味着每千瓦PV每天平均每天增加10-20英里的范围，专用于为汽车提供超过家用电源的充电。

这种优势不仅扩展到佛罗里达州，而且还扩展到每个有断电风险的地方。面对现实，飓风很容易威胁整个美国东部沿海地区。此外，飓风并不是唯一的电力中断威胁。我们在加利福尼亚州和美国其他地震活跃地区的朋友也容易遭受停电，但是很容易遭受地震破坏。对于世界其他地区，也有冰暴和类似的断电风险。无论如何，我们很容易同意有保证的家庭电源-在电网中断的情况下提高家庭弹性-无论居住在哪里都是好事。