美国最佳太阳能电池板和电池备份系统推荐（2023年）

插图：Dana Davis
当停电时，每个人都在寻找保持灯光的方法。由于越来越频繁的恶劣天气导致电网在某些地区连续数天宕机，传统的化石燃料备用系统，即便携或永久发电机，似乎越来越不可靠。这就是为什么住宅太阳能发电与电池储存（曾经是一种小众行业）正在迅速成为主流的灾难应对选择，根据我们采访的十几位安装商、制造商和行业专家的说法。

对于房主来说，从屋顶太阳能电池板充电的多千瓦电池可以在自然灾害发生时提供弹性——一种可靠、可充电、即时的电力来源，以保持重要设备和家电的运行，直到电网恢复正常。对于公用事业公司来说，这样的安装可以在不久的将来实现更稳定、更低碳的电网。以下是如何为您的家庭设置这种系统的方法。（只是要为此做好心理准备，因为价格可能会让您感到震惊。）

研究内容

• 谁应该选择这个
• 为什么你应该相信我们
• 太阳能与电池备份是什么意思？
• 这会花费多少钱，你真的需要吗？
• 在太阳能电池备份下，您可以运行多长时间？
• 太阳能和电池备份可能产生的最大影响
• 参考资料

谁应该选择这个

在停电时备用电源对于任何希望保持基本舒适和通信能力的人来说都至关重要。如果将其扩大到更大的系统，您可以超越基本需求，备份更多的家电和工具，以便在电网恢复之前更长时间使用。这些解决方案过于定制化，我们无法推荐具体的电池，也无法建议您在电网停电时需要多少千瓦时的储存容量，或者需要多少太阳能产量来保持电池充电。还要记住，其他变量，包括您的特定能源需求、预算和位置（几乎每个州和公用事业公司都有自己的激励计划、回扣和税收抵免），都会影响您的购买决策。2022年的联邦通胀减缓法案还包含可能影响您是否将电池备份添加到现有太阳能系统的激励措施：到2032年，您将能够在向美国国税局申报时，将项目成本的30%作为税收抵免。
我们的目标是帮助您思考三个问题：关于在家中安装太阳能电池备份的何时和为什么需要向自己提出的问题，当您与潜在的安装商见面时应该问什么问题，以及电池储存系统主要代表您自己家庭的弹性还是整个未来电网的投资问题。纽约州弗林格莱克斯可再生能源太阳能公司的创始人Rebekah Carpenter说：“这就像我对话的第一个半小时：告诉人们他们需要考虑什么。”
我能理解。我需要花费数小时的时间进行研究，才能理解所有的细节，审查安装示例，并扮演潜在买家的角色。我也能理解任何进行这种投资的人。您将面临一系列重大决策——从选择承包商到系统的设计和制造商，再到融资。而且所有这些都将被技术术语所包围。 Sonnen电池制造商的首席执行官Blake Richetta表示，他面临的一个主要挑战就是将这些信息转化为普通消费者可以理解的形式，或者用他的话说，是“让普通人能够接受”。关于是否以及为什么应该采用太阳能电池储存，没有简单的方法来回答这个问题。

为什么你应该相信我们

在开始这个指南之前，我对太阳能电力的唯一经验是在高原沙漠的一个牧场上被太阳能电动牛栏围栏电到。因此，为了给自己进行太阳能电池储存的速成课程，我与十多个消息来源进行了交流，包括六家电池制造商的创始人或高管、来自马萨诸塞州、纽约州、乔治亚州和伊利诺伊州的五名经验丰富的安装商，以及EnergySage的创始人，这是一家备受尊敬的“公正的太阳能撮合者”，为业主提供免费和详细的太阳能相关建议。（EnergySage对安装商进行审核，然后安装商可以支付费用以被列入该公司的批准承包商名单。）为了提供广泛的观点和丰富的知识，我寻找了一些在全国范围内不一定被视为太阳能友好的地区的安装商，以及一些具有不同背景的安装商，包括专注于为贫困农村社区提供太阳能电力的安装商。在整个过程的最后阶段，只是为了好玩，我参加了一次安装商与我哥哥和嫂子（德克萨斯州的潜在太阳能和电池买家）之间的电话会议，听听专业人士向他们提出了哪些问题（以及反之亦然）关于规划新安装。

太阳能与备用电池是什么意思？

备用电池储存太阳能的系统并不新鲜：几十年来，人们一直在使用铅酸电池组来储存太阳能。但是这些系统体积庞大，需要定期维护，依赖有毒和腐蚀性材料，通常必须放置在一个单独的防水结构中。一般来说，它们仅限于农村的离网应用。本指南侧重于所谓的并网太阳能系统，其中太阳能电池板为您自己和电网供电。因此，我们所讨论的是首次出现在2010年代的现代化、紧凑型、高容量锂离子电池。
对于许多人来说，他们第一次听说这样的系统是特斯拉于2015年宣布推出的Powerwall。根据EnergySage创始人Vikram Aggarwal的说法，截至2022年，至少有26家公司在美国提供锂离子储能系统，尽管只有七家制造商几乎占据了所有的安装量。按照份额从高到低，这些制造商分别是Enphase、特斯拉、LG、松下、SunPower、NeoVolta和Generac。在开始研究时，你可能会遇到其中几个品牌。但为了确保给自己提供最广泛的选择，与多个承包商进行交流非常重要，因为他们中的大多数只与两到三家电池制造商合作。（电池之间的差异主要体现在化学成分、输入功率类型、储存容量和负载容量等方面，如下文所述。）
然而，从根本上说，所有的电池工作方式都是相同的：它们在白天将屋顶太阳能电池板的电力储存为化学能，然后根据需要释放电力（通常是在太阳能电池板闲置时，以及在停电期间），以保持您家中的电器和装置运行。所有电池只能通过直流（直流）电力充电，这与太阳能电池板产生的电力类型相同。
但除此之外，还有很多不同之处。Aggarwal说：“电池不是一样的。”“它们具有不同的化学成分、功率和安培数。在给定时间内可以从电池中提取多少安培数，也就是我可以同时运行多少个电器？没有一种大小适合所有的电池。” 电池可以储存的功率量，以千瓦时为单位，当然是你计算中的一个关键因素。如果你所在地区很少遭遇长时间停电，那么一个较小且价格较低的电池可能适合你的需求。如果你所在地区的停电时间很长，可能需要一个更大的电池。如果你家中有绝对不能失电的关键设备，你的需求可能会更高。在你联系潜在的安装商之前，这些都是需要考虑的事情，而这些专业人士应该倾听你的需求并提出问题，帮助你完善你的想法。

你还需要考虑其他几个因素。

首先是你是否会在安装电池储存系统的同时安装新的太阳能系统，或者你是否会将电池改装到现有系统中。

如果一切都是新的，你在选择电池和太阳能电池板时将有最广泛的选择范围。大多数新安装使用直流耦合电池。这意味着你的电池板产生的直流电进入你的家中并直接充电电池。然后，电流通过一个称为逆变器的设备，将直流（直流电）转换为交流（交流电）---家庭使用的电力类型。这个系统提供了最高效的充电电池的方式。但是，这涉及到将高电压直流电引入你的家中，这需要专门的电气工作。我与一些人交谈时，他们对高电压直流电的安全性表示了保留。

因此，你可以选择所谓的交流耦合电池，并安装一个使用微逆变器的太阳能阵列，将它们的输出转换为你屋顶上的交流电（这意味着没有高电压电流进入你的家）。为了充电电池，电池本身的集成微逆变器将电能重新转换为直流电，在电池向你的家供电时再将其转换为交流电。交流耦合电池的效率比直流耦合电池低，因为每次转换都会有一些电能以热量的形式损失。与安装商坦诚地讨论每种方法的优缺点和相对安全性。

如果你已经有一个太阳能阵列并想安装电池，重要的消息是你现在可以这样做了。Fingerlakes Renewables的Rebekah Carpenter说：“我已经做这个工作20多年了，能够进去查看一个系统并进行改装真是太神奇了。我记得以前根本没有改装系统的选择。如果电网断电，你根本无法使用太阳能。”

解决方案在于混合逆变器，它提供了两个关键功能。首先，它可以接受交流或直流输入，然后使用软件来确定它在哪里需要，并进行必要的转换。Carpenter说：“它是一个或者和的关系。它用于充电电池[直流]，用于家庭或电网[交流]，或者如果有足够的电力进来，同时用于两者。”她补充说，她所谓的“不可知论者”混合逆变器对于改装电池系统尤其有价值，因为它们可以与几个不同品牌的电池配合使用；一些电池制造商限制了他们的混合逆变器只能与自己的电池配合使用。Carpenter提到了Sunny Island作为一个不可知论者逆变器的制造商。Sol-Ark是另一个例子。

其次，混合逆变器可以产生所谓的电网信号。太阳能阵列需要感知到电网在线才能工作。如果它们失去了这个信号---这意味着电网停电---它们会停止工作，直到电力恢复；这意味着在此期间你将没有电。Invaleon的Sven Amirian解释说，这是出于安全考虑：“公用事业要求你在有人在线路上工作时不要反馈能量。” 通过生成电网信号，混合式逆变器可以让您现有的太阳能系统在停电时继续运行，白天为您的家庭供电并充电电池，晚上使用电池为您的家庭供电。

除了以千瓦时为单位的储能容量外，电池还具有以千瓦为单位的负载容量。术语“连续容量”指的是电池在正常条件下可以输出多少功率，并且它表示您可以同时运行多少电路的限制。术语“峰值容量”指的是当大型电器（如空调）启动并突然需要更多电力时，电池可以在几秒钟内提供多少功率；这种情况需要具有强大峰值容量的电池。请咨询您的承包商，以找到满足您需求的电池。

锂离子电池的化学反应很复杂，但太阳能系统主要使用两种主要类型的锂离子电池。更常见的是NMC（镍-镁-钴）电池。较不常见（并且是最近的发展）的是LFP（磷酸铁锂）电池。（奇怪的首字母缩写来自另一个名称，即磷酸铁锂。）NMC电池是两种电池中功率密度更高的一种，因为它们在给定储能容量下体积更小。但是它们对充电和放电过程中产生的热敏感（它们具有较低的闪点或点火温度，因此理论上更容易发生所谓的热失控火灾传播)）。它们的寿命充放电循环也可能较低。而LFP电池由于能量密度较低，需要更大的体积来实现相同的容量，但它们对热量的敏感性较低，并且可能具有更高的充放电循环次数。最终，您将选择与您的承包商一起设计的最适合的电池类型。然而，无论如何，要积极主动并提出问题。

这也带来了一个最后的问题：在选择之前与多个太阳能安装商交谈。EnergySage的Aggarwal表示：“消费者应该始终进行比较购物。”大多数安装商只与少数电池和电池板制造商合作，这意味着您无法从任何一个安装商那里获得完整的可能性。Generac的清洁能源服务总裁Keith Marett表示：“对于业主来说，真正重要的是弄清楚他们在停电期间希望过什么样的生活方式，并建立一个支持这种生活方式的系统。”增加电池储存是一项重大投资，并且在很大程度上将您锁定在特定的系统中，因此不要急于做出决定。

这将花费多少钱 - 你真的需要吗？

我住在纽约市，由于消防法规的限制，室内太阳能电池储存是不允许的，而室外电池储存则意味着要应对充满官僚主义特点的机构（PDF）。（笑话是几乎没有人在这里有室外空间。）即使允许我安装电池，研究和撰写本指南也让我对是否安装电池产生了疑问。在您做出决定之前，问自己一些基本问题是值得的。

首先，安装电池储存本质上是昂贵的。EnergySage的数据显示，在2021年第四季度，每千瓦时的电池储存中位数成本接近1300美元。当然，这意味着公司列表中有一半的电池成本低于每千瓦时的这个价格（另一半成本更高）。但即使是EnergySage列表上最低成本的电池制造商HomeGrid，也要为一个9.6千瓦时的系统收取超过6000美元。 “大七家”（即Enphase、特斯拉、LG、松下、SunPower、NeoVolta和Generac)）的电池价格是其他品牌的近一倍到两倍多。“目前这只是为富人准备的，”EnergySage的Aggarwal叹了口气说。然而，他补充说，电池储存成本一直在下降，他预计这一趋势将继续下去。

即使是那些可以安全室内使用的可充电便携式设备也不如将东西插入墙上插座方便。然而，即使没有传统的屋顶太阳能系统，也有办法使家庭电路在停电时正常运行。Goal Zero成功地向露营者和房车主销售太阳能发电机，并提供了一个家庭整合套件，使用这些发电机为房屋供电。在停电时，您手动将家庭与电网断开连接（安装工作中包括一个物理转换开关）。然后，您使用Goal Zero的外部电池运行家庭电路，并使用Goal Zero的便携太阳能电池板对其进行充电。在某种程度上，这个Goal Zero套件在完全安装的太阳能加电池系统和更基本的太阳能电池充电器之间取得了平衡。与用于并网太阳能系统的自动转换开关相比，手动断开开关增加了一个额外的步骤。价格是多少呢？公司首席执行官比尔·哈蒙说：“我们的3千瓦时电池在您家中的安装费用约为4000美元起。”

所有这些选择都有其缺点和限制。太阳能设备充电器可以让您与亲人保持联系，并在紧急情况下获得新闻警报，但无法保持冰箱运行。化石燃料可能会耗尽，使您陷入困境，当然，化石燃料发电机不环保。“但是，话虽如此，如果您一年只使用两次，每次两三天，也许您可以暂时忍受这种影响，”Aggarwal说。几家电池制造商已经将使用化石燃料发电机为其电池充电的功能纳入了其产品中，以应对长时间停电的情况。Sonnen董事长兼首席执行官布雷克·里切塔表示，如果您的目标是在灾难后实现最大的弹性，“您真的应该有一个燃气发电机——备用备份。”

简而言之，值得权衡在紧急情况下预期的未来困难与获得弹性的成本。我与布鲁克林太阳能工程公司的项目副总裁乔·利帕里进行了交谈（正如公司名称所示，该公司在纽约市运营，在那里，电池尚不是一种选择），他提到了2003年的大停电。停电之前的几天非常不愉快。但我在这里已经住了将近20年，这是我唯一一次停电。从纯粹的应急准备角度来看，我问利帕里我应该从2003年停电中得出什么结论——即，这是一个需要加强防范的危机还是一个可以吸收的最小风险？他回答说：“人们向我们提出这个问题。为了获得一个电池储存系统而额外支付2万美元？可能没有必要。”

太阳能电池备份可以支持家庭多长时间？

我们向许多专家询问了这些系统在停电情况下可以持续多长时间，一般来说。简短而保守的答案是：单个电池不到24小时。但是，对于这个问题的声称差异如此之大，以至于对这个问题的详细回答并不确定。

根据美国能源信息管理局（US Energy Information Administration）的数据，2020年美国典型家庭每天消耗29.3千瓦时。一个典型的太阳能备用电池可以储存大约10千瓦时的电量。“我不必告诉您，这无法让您的整个房子运行一天，”EnergySage的Aggarwal说。电池通常是可堆叠的，这意味着您可以将多个电池串联在一起以增加储存容量。但是，当然，这样做并不便宜。 对于许多人来说，堆叠太阳能电池是不切实际的，甚至在经济上也不可行。但是，在停电情况下，以“我能运行多久”来考虑太阳能储能是错误的。首先，你可以期望你的太阳能电池板在白天晴朗的天气中既为你的家提供电力，又为你的电池充电，从而不断再生备用电源。这增加了一种化石燃料发电机所缺乏的弹性，因为一旦它们的天然气或丙烷用完，除非你能获得更多燃料，否则它们将无用。在紧急情况下，这可能是不可能的。

更重要的是，在停电期间，你节约多少能源至少和你能储存多少能源一样重要。为了让你的电池尽可能长时间使用，你需要大幅减少用电量。我在1992年迈阿密经历了安德鲁飓风，没有电力供应数天，食物腐烂等问题。我将那次经历的挑战转化为了一种探索。我问我所接触到的所有安装商和电池制造商同一个问题：假设我想让冰箱运行（为了食品安全），保持几个设备充电（用于通信和信息），并保持一些灯亮（为了夜间安全），我可以期望电池在没有充电的情况下能持续多长时间？

Goal Zero的产品、运营和制造负责人Keyvan Vasefi表示，他和他的妻子对他们的3千瓦时电池进行了多次测试，通常可以连续一天半，“冰箱运行，多次手机充电，主卧室和浴室有照明”。他们还对他们的太阳能电池板进行了测试。尽管要考虑到Vasefi在销售这项技术方面有利益，但我可以说他确实为此提出了一个令人信服的理由：“我们试图假装是世界末日，看看会发生什么，我们可以在这些有限的电路上有效地获得无限的运行时间。”他说，“电池每天下午6点都恢复到百分之百。我们对此感到非常满意。”

马萨诸塞州安装商Invaleon的副总裁Sven Amirian表示，一个10千瓦时的电池通常可以让冰箱、一些灯和几个设备充电器运行两到三天。这个时间段也得到了电池制造商Electriq的高级副总裁Aric Saunders的证实。

当你安装电池时，承包商可能会要求你选择家中的有限“紧急子集”电路，然后将其通过一个分配盘路由。在停电期间，电池只会供应这些电路。（例如，我父亲在弗吉尼亚州的家中安装了一个丙烷备用发电机，它连接到他的三个空调装置之一、冰箱、厨房插座、即时热水器和一些灯。在电网恢复之前，房子没有电视、洗衣机和其他便利设施。但是，在经常发生的夏季停电期间，有一个部分制冷的家和冷饮料意味着舒适和痛苦之间的区别。）

你还可以手动关闭电板上的单个断路器，将电池限制为只供应你认为重要的电路。所有太阳能储能电池都配备了应用程序，显示正在使用哪些电路，帮助你找到并消除可能被忽视的功耗。Amirian说：“实时地，你可以改变你的习惯，也许多延长一天。”不过，需要注意的是，对于我们测试的每个智能家电应用程序，用户对这些应用程序的评价也是褒贬不一：有些人喜欢它们，而其他人则对其性能故障和错误更新感到沮丧。

最后，电池制造商开始提供智能面板。通过这些面板，你可以使用应用程序远程切换单个电路的开关状态，从而在不同的时间自定义使用哪些电路（例如，在白天禁用卧室的灯和插座，并在晚上重新开启）。 而电池的软件也会采取措施来优化您的电力使用，关闭不需要的电路。但阿米里安警告说，安装智能面板并不简单或便宜。“需要进行大量的客户教育，包括‘我想要能够控制每个电路’与‘为了两天的停电，这将需要1万美元的电气工作’的利弊、成本和收益。”
总之，即使只有有限的太阳能充电，只要您对电池的需求较少，您就能够增加离网供电的时间。这个计算被乔内尔·卡罗尔·迈尼菲(Jonnell Carol Minefee)清楚地描述了出来，他是Solar Tyme USA的联合创始人，该公司是一家位于佐治亚州的太阳能安装商，专注于农村、少数民族和贫困社区：“我知道我们是美国人，我们喜欢我们的各种各样的东西，但我们必须学会在某些时候没有所有的奢侈品。”
太阳能和电池备份如何产生最大影响

尽管太阳能电池储存系统可以在停电时保持重要的家电和设备运行，但我与制造商和一些安装商交谈时，他们都表示他们认为这只是一个有用但次要的功能。主要来说，他们认为这样的系统是为了让房主通过实施所谓的“削峰填谷”来限制他们的公用事业账单。在高峰需求时段（下午晚些时候到傍晚），当一些公用事业公司提高电价时，电池主人会切换到电池供电或将电力送回电网；这将使他们从当地公用事业公司获得回扣或积分。
但电池的一个更重要的用途正在崭露头角。公用事业公司正在开始升级其电网基础设施，以便能够将私人拥有的电池用作虚拟电厂，或称为VPP（一些已经在运营，这样的系统预计在未来十年内将变得普及）。现在，屋顶太阳能和太阳能农场太多，以至于在白天中期它们会给电网带来压力。它们产生的所有电力都必须流向某个地方，所以它们流向电网，迫使公用事业公司关闭一些大型化石燃料电厂，以保持供需平衡。听起来很好——减少二氧化碳排放是太阳能的目标，对吧？但在太阳能电池停止产生电力的同时，需求的激增也到来了（白天过剩的太阳能产量和晚上过剩的需求形成了所谓的“鸭曲线”，这是您在研究电池储存时可能会遇到的术语）。为了满足需求的激增，公用事业公司通常被迫启动“峰值发电厂”，这些发电厂的效率低于主要的化石燃料电厂，但启动速度更快。结果是，在某些日子里，公用事业公司的二氧化碳排放实际上超过了如果没有太阳能电池的情况下的排放量。
虚拟电厂将有助于解决这个问题。多余的太阳能电力将在白天充电到家庭电池中，然后公用事业公司将在晚间需求高峰时从中获取电力，而不是启动峰值发电厂。（电池主人将与公用事业公司签订法律协议，授予他们使用电池的权利，并可能因此获得费用。） 我将把最后的发言留给Sonnen的Blake Richetta，因为我无法更好地传达VPPs所代表的革命意义：
“电池的群集控制，响应、呼吸并适应电网操作员的调度，提供取代峰值发电厂脏发电的发电，使电网运行更加高效，减轻电网拥堵并推迟电网基础设施的成本，稳定电网并提供更便宜的频率响应和电压调节解决方案，从而使太阳能从麻烦变成增值的资产，甚至能够从电网进行群集充电，因此，如果德克萨斯州有大量风力发电场在凌晨3点产生大量电力，可以群集充电50,000个电池并吸收这些电力——这才是我们真正的目标。这就是电池的用途。”
本文由Harry Sawyers编辑。

来源

1. Sven Amirian，Invaleon副总裁，马萨诸塞州安装商，电话采访，2022年2月3日

2. John Caravette，Earth, Wind, and Solar副总裁，伊利诺伊州安装商，电话采访，2022年2月10日

3. Aric Saunders，Electriq执行副总裁，销售和市场营销，电池制造商，电话采访，2022年2月7日

4. Vikram Aggarwal，EnergySage创始人兼首席执行官，以及Nick Liberati，传媒经理，视频采访，2022年2月7日

5. Jonnell Carol Minefee，Solar Tyme USA联合创始人兼管理合伙人，佐治亚州安装商，电话采访，2022年2月15日

6. Rebekah Carpenter，Fingerlakes Renewables Solar Energy创始人兼所有者，纽约州北部安装商，电话采访，2022年2月23日

7. Bill Harmon，Goal Zero总经理/首席执行官，以及Keyvan Vasefi，产品、运营和制造负责人，总部位于犹他州的太阳能发电机制造商，电话采访，2022年2月11日

8. Raghu Belur，Enphase创始人兼首席执行官，Andy Newbold，企业传播高级总监，以及Bobby Pierce Sr.，品牌和内容总监，电池制造商，电话采访，2022年2月4日，2月10日

9. Keith Marett，Generac清洁能源服务总裁，以及Don Klein，公共关系经理，电池制造商，电话采访，2022年2月10日

10. Mukesh Sethi，Panasonic太阳能和储能总监，电池制造商，电话采访，2022年2月10日

11. Joe Lipari，Brooklyn SolarWorks项目副总裁，以及Steve Nelson，销售和市场副总裁，总部位于纽约市的太阳能安装商，电话采访，2022年2月4日

12. Blake Richetta，Sonnen董事长兼首席执行官，电池制造商，视频采访，2022年2月11日