為什么要在太陽能裝置研發(fā)上花費 1B 美元？

美國居民平均支付2.81 美元/瓦在屋頂上安裝光伏太陽能電池板；然而，這些面板本身在中國的批發(fā)價僅為 0.27 美元/瓦。這意味著 90% 的成本用于面板制造以外的其他方面（2.54 美元/2.81 美元）。

目前全世界每年在發(fā)電和配電上花費3.4 噸，如果花費超過 30 年，則可以達到 100 噸（3.4 噸 x 30）。脫碳需要用太陽能、風能、水力和核能取代其中的大部分。其中一些將通過建筑物上的太陽能電池板實現(xiàn)。例如，如果 5% 是建筑物上的太陽能（$5T），而自動化將其減少了 30%，那么自動化將節(jié)省 $1500B。因此，政府和/或基金會花費數(shù)十億美元來自動化光伏太陽能安裝、維護、維修、客戶獲取、報價、承包、許可和設計是合理的。

太陽能設計 101

太陽能電池板通過不穿透防水層的支架連接到屋頂表面，如圖 1 所示。電池板下方的電纜將電力輸送到建筑物并終止于電氣設備箱。這些盒子使建筑物成為相對于外部電網(wǎng)的凈消費者或凈電力生產(chǎn)者。

圖 1：太陽能電池板通過支架連接到建筑物屋頂表面

太陽能經(jīng)濟學 101

美國光伏太陽能的平均成本為來自太陽能農(nóng)場的 0.036 美元/千瓦時，來自商業(yè)建筑的 0.068 美元/千瓦時，以及來自住宅建筑的 0.107 美元/千瓦時（NREL ATB 2021，光伏發(fā)電，5 級，中等）。建筑物上的太陽能似乎沒有傳輸成本；然而，這是不準確的，因為建筑物在太陽下山時使用傳輸基礎設施（即它們在晚上從碳源獲取電力）。

建筑物上的太陽能比太陽能發(fā)電場成本更高，因為每個建筑物都有獨特的機械、電氣和承包復雜性。附近有未利用土地的太陽能發(fā)電場可以以較低的增量成本安裝額外的太陽能電池板。因此，沒有太陽能的消費者更愿意以0.036美元/千瓦時的價格從太陽能發(fā)電場購買電力，而不是以0.107美元/千瓦小時的價格從配有太陽能電池板的建筑物購買電力。然而，如果土地供應不足，屋頂空間隨時可用，那么太陽能建筑就更具吸引力。

美國天然氣發(fā)電的批發(fā)成本通常為0.04美元/千瓦時。隨后，人們可能會得出結(jié)論，0.036美元/千瓦時的光伏太陽能發(fā)電場成本低于碳基電力。然而，事實并非如此，因為碳基設施已經(jīng)建成并支付了費用。因此，當向現(xiàn)有的碳基系統(tǒng)中添加間歇性綠色能源時，消費者的成本會增加。

美國目前有 40% 的電力來自綠色能源（19% 的核能、7% 的水電、3.3% 的太陽能、9% 的風能）。如果通過 0.036 美元/kWh 光伏太陽能發(fā)電場和陸上風電場將這一比例提高到 85%，那么消費者的成本將增加 ≤0.02 美元/kWh。換句話說，使大部分電力脫碳有點容易。然而，58% 的能源不是電力（例如交通運輸、制造化學品和材料），如何以低成本使非電力脫碳尚不清楚。

建設太陽能和風能直到飽和

世界上有超過 512 個城市，人口超過 100 萬?？梢詫⒚恳粋€都簡化為三個要素：(a)消耗電力且沒有太陽能空間的城市建筑，(b) 具有光伏太陽能的郊區(qū)建筑，以及 (c) 都會區(qū)以外的光伏太陽能農(nóng)場。每個都會區(qū)都有不同數(shù)量的每種元素。例如，拉斯維加斯有大量土地可用于光伏發(fā)電場，而臺北周圍的土地則需要用于農(nóng)業(yè)。休斯頓主要是郊區(qū)，而香港主要是城市。

通常情況下，擁有太陽能電池板的美國居民將獲得 0.13 美元/千瓦時（美國平均零售發(fā)電 + 輸電）為自己發(fā)電，而僅獲得 0.034 美元/千瓦時為鄰居發(fā)電。換句話說，通常沒有動力為城市中心提供完全覆蓋太陽能電池板的屋頂。換句話說，房主可能以 0.107 美元/千瓦時的成本安裝太陽能，然后使用面板來避免以 0.13 美元/千瓦時的價格從電網(wǎng)購買（即太陽能提供 0.027 美元/千瓦時的收益）。然而，當建筑物向電網(wǎng)出售多余的電力時，電力公司通常只支付 0.034 美元/千瓦時，因為他們可以以這個價格從其他來源購買。因此，房主沒有動力完全覆蓋他們的屋頂，只為自己安裝面板。

我們現(xiàn)在將描述一個假設情景，解釋為什么電力公司不愿對綠色電力生產(chǎn)商更加慷慨。假設我們神奇地用太陽能電池板覆蓋了大都市區(qū)一半的建筑物，以至于它們產(chǎn)生的能量與一年消耗的能量相同，而電費為 0 美元/年。如果發(fā)生這種情況，那么另一半的地鐵建筑的電費將翻一番，因為他們將承擔現(xiàn)有碳基基礎設施的成本，而不是分擔。大幅增加成本在政治上不受歡迎。

人們可能希望在每個大都市區(qū)周圍建立太陽能和風能發(fā)電，直到晴天和大風時供應超過需求。在達到這個“飽和度”后，該地區(qū)將不愿意建造更多的太陽能和風能，因為能源正在被丟棄。在許多情況下，這種飽和會發(fā)生在 80% 到 90% 的電力來自綠色能源之后。正如我們在實現(xiàn)零 CO 2排放的計劃中所討論的那樣，達到飽和是所有都會區(qū)的一個有價值的目標，也是脫碳的第一階段。

如何推動太陽能在建筑物上的全面覆蓋，邊緣到邊緣？

為了推動太陽能在建筑物上的全覆蓋，直到一個大都市地區(qū)由于飽和而在中午停止用電，需要滿足以下條件：

城市簽署電力購買協(xié)議 (PPA)，同意從碳供應商那里以特定價格購買特定數(shù)量的電力。當大都市地區(qū)增加太陽能時，它需要減少碳源的輸出，并在可用時用綠色電子代替。在許多情況下，這需要更改之前簽署的 PPA。為了做到這一點，許多國家需要新的法律，正如如何加速綠色電力中所討論的那樣。

安裝太陽能的建筑物通常尋求 5 到 12 年的投資回收期。這適用于使建筑物成為電力凈生產(chǎn)商的附加面板。

需要政府干預才能要求消耗更環(huán)保和更昂貴的電力。這通常會導致凈消費者的成本增加，如果保持較?。ɡ纭?.02 美元/kWh 增加），通常在政治上是可以接受的。換句話說，我們不希望城市中心的凈消費者看到超過約 0.02 美元/kWh 的價格上漲，即使一半的大都市消費者已經(jīng)成為凈生產(chǎn)者。否則，凈消費者將在政治上阻止政府干預導致他們的電費過度增加。

城市中心的凈消費者更愿意從光伏太陽能發(fā)電場購買廉價電力（例如 0.034 美元/千瓦時），而不是從建筑太陽能購買昂貴的電力（例如 0.107 美元/千瓦時）。為了更具競爭力，基于建筑的太陽能需要降低成本，也許是 2 到 3 倍。

請注意，上述條件中的 4 項中有 3 項涉及降低建筑物的太陽能成本。

這可以通過自動化來完成，而且由于世界正在考慮在 30 年內(nèi)花費數(shù)萬億美元在基于建筑的太陽能上，因此花費數(shù)十億美元來降低成本是有意義的。

現(xiàn)在，我們將回顧一下工程師在使用大量太陽能自動化研發(fā)預算時可能會做的十件事。

1) 制定有助于光伏太陽能安裝自動化的標準

工程師可以開發(fā)一個標準化系統(tǒng)，用于將機器連接到關(guān)節(jié)臂的末端，如圖 2 所示。

圖 2：具有可互換機器的自動化太陽能安裝平臺

圖 3 所示為一次使用一個刀具的銑床的刀具交換器。類似的方法可以應用于安裝在卡車上的關(guān)節(jié)臂或工業(yè)機器人。

圖 3：銑床的可互換刀具

目前有一些機器可以自動砌磚，如本視頻所示。安裝太陽能電池板的機器可能類似；然而，太陽能需要處理許多獨特的結(jié)構(gòu)，而磚層從已知的平面開始，因此需要的軟件要少得多。

人們可以通過起重機、吊臂和鉸接臂上的標準化軌道將太陽能電池板和金屬框架從卡車上移到車頂；如圖 4 中紅色和藍色所示。

圖 4：沿鉸接臂的軌道支撐移動材料的有軌電車

安裝在有軌電車上的電機可以與線性齒輪連接并提供推進力，如圖 5 中左下角所示。有軌電車頂部右下方的標準化安裝板可以與機器連接，就像機器連接到機器一樣關(guān)節(jié)臂的末端。?

圖 5：有軌電車沿電氣化軌道行駛并為機器提供標準化接口

電車上的機器可能主要專注于材料運輸，而鉸接臂末端的機器可能專注于安裝。例如，可以將帶有一堆太陽能電池板的料斗放在電車上，并將工業(yè)機器人連接到關(guān)節(jié)臂的末端。有關(guān)詳細信息，請參閱自動化太陽能電池板安裝。

軌道可以由地面卡車用 48VDC 等低壓供電，以提高抗沖擊的安全性。這可以為有軌電車、連接到有軌電車的機器以及連接到關(guān)節(jié)臂的機器提供動力。

在使用大型商業(yè)屋頂時，可以通過桁架將機器移動到任何位置，如圖 6 所示。這有助于移動金屬框架、組裝框架、移動太陽能電池板、安裝電池板和清潔電池板。 ?

圖 6：桁架上的導軌支持將機器移動到大屋頂上的任何位置

鉸接臂和起重機的制造商可以毫不費力地升級他們的設備來支持這個系統(tǒng)，因為他們可以安裝軌道硬件、增加動力，然后讓有軌電車和機器來完成工作。機器可以專注于它們的特定功能，同時將運動委托給關(guān)節(jié)臂和電車。此外，有軌電車可以沿一條鐵路線并行運行。

為了讓它發(fā)揮作用，工程師可以制定定義導軌和安裝板的機械、電氣和通信標準。它們可以支持多種尺寸，因為一些應用涉及小負載，而另一些則涉及大負載（例如 25 公斤、100 公斤、400 公斤、1500 公斤、6,000 公斤和 25,000 公斤）。

工程師可以制定標準，定義電車、機器、傳感器、攝像機和控制執(zhí)行器如何與中央計算機接口。軟件可以從相機接收圖像并計算對象數(shù)據(jù)庫。如果物體在移動，還可以計算速度矢量。高級軟件可以掃描對象數(shù)據(jù)庫，并做出決定。

不要指望公司為這一發(fā)展提供資金，因為缺少一個要素會阻礙收入。此外，公司無法負擔開發(fā)有利于他人的標準。相反，他們更喜歡他們擁有的專有系統(tǒng)。但是，自己開發(fā)它可能會讓人不知所措。

警告：自動化施工可能會導致更多的施工、更多的材料使用、更多的能源消耗和更多的 CO2排放。

2) 開發(fā)支持自動化安裝的工廠制造太陽能套件

許多大都市地區(qū)沒有足夠的屋頂表面來為整個大都市地區(qū)提供太陽能。出于這個原因，工程師可以開發(fā)支持更多面板的工廠制造套件，如圖 7 所示。 ?

圖 7：太陽能電池板的工廠制造結(jié)構(gòu)

為了降低成本，工程師可以盡量減少框架使用的材料，如圖 8 所示。

圖 8：使用最少材料的太陽能支架框架

為了自動化框架和面板的安裝，可以將大型工廠制造的子組件堆疊到一個運輸容器中（例如每個 0.5 x 2.5 x 10m），運輸?shù)浆F(xiàn)場，然后使用起重機輔助機器連接子組件，如圖 9 所示。帶有集裝箱、起重機和懸掛機器的卡車都可以通過一臺通用計算機進行協(xié)調(diào)。

圖 9：太陽能支撐結(jié)構(gòu)的自動安裝

電機可以將面板轉(zhuǎn)向太陽，以增加收集的能量。旋轉(zhuǎn)也有助于避免風、冰雹和雪。風速為 160 公里/小時，每平方米的表面積推力 244 公斤。例如，每小時 160 公里的風向 13 x 10 米的表面（13 米 x 10 米 x 244 千克/米2 ）推動 31,700 千克。因此，在暴風雨中旋轉(zhuǎn)可能會有所幫助。

經(jīng)濟地進行這項工作是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為安全的間接費用結(jié)構(gòu)往往成本高昂。好消息是工程師可以在不花費大量資金的情況下進行粗略設計、計算成本并手動構(gòu)建原型結(jié)構(gòu)。

設計結(jié)構(gòu)本身有些容易。然而，設計自動安裝機器的機制可能要困難十倍。更難的是編寫控制機器的軟件，也許是另外十倍。換句話說，自動化需要大量的研發(fā)預算。

3) 開發(fā)自動化安裝的工廠制造車棚

工程師可以做與上述相同的事情，但使用由自動化機器組裝的工廠制造的車棚，如圖 10 所示。?

圖 10：自動化安裝可能支持的太陽能車棚

為了自動放置地基，計算機控制下的卡車可以用螺旋鉆鉆孔并下入預制混凝土地基，或澆注混凝土，如圖 11 所示。

圖 11：自動基礎放置系統(tǒng)

4）降低超大屋頂?shù)某杀?/p>

房子需要許多太陽能電池板才能成為電力的凈生產(chǎn)者，尤其是在寒冷氣候下使用電力取暖的情況下。隨后，人們可能會考慮一個超大屋頂，如圖 12 所示。建筑師John Meyer提出的這個概念說明了建筑面積與太陽能表面的 1:1 比率（即兩者均為 185m 2）。如果仔細檢查，他們會發(fā)現(xiàn)一半的屋頂不在結(jié)構(gòu)上方。

圖 12：加長屋頂有利于太陽能與地板空間的 1:1 比例

在這個概念中，朝陽的屋頂被拉長了 2 倍，并支持 112 個面板，每個面板的尺寸為 1.7 x 1m（360W/面板）。面向太陽時總發(fā)電量為40kW。這相當于 7100 美元/年 @ 0.13 美元/千瓦時，6 萬美元系統(tǒng)成本 @ 1.50 美元/瓦，360 瓦/面板，55000 千瓦時/年，一年平均 6.3 千瓦。這每年產(chǎn)生的電力是美國普通家庭消耗的電力的 5 倍。然而，在用電取暖和為城市中心的朋友供電時，需要超過平均水平。

使超大屋頂在經(jīng)濟上可行是一項挑戰(zhàn)，因為類似于此處所示的大型結(jié)構(gòu)往往成本高昂。然而，工程師們可以通過使用工廠制造的輕型框架擴展傳統(tǒng)屋頂來在經(jīng)濟上完成這項工作。或者用自動化裝配和自動化設計支持的預制模塊制作屋頂結(jié)構(gòu)。

5) 開發(fā)自動化市場軟件

客戶獲取涉及建筑業(yè)主致電多家供應商，拜訪多家供應商，然后選擇其中一家。這通常會消耗供應商和客戶的時間，時間就是金錢。為了降低成本，軟件工程師可以開發(fā)網(wǎng)站，使設計、客戶獲取、合同、調(diào)度和許可自動化。

這屬于“自動化市場”的廣泛類別。例如Uber、Airbnb和Xometry。理論上，任何上述討論的基于太陽能的機械系統(tǒng)都可以由自動化市場網(wǎng)站支持。

例如，房主可以在網(wǎng)站中輸入他們的地址，查看他們車道的衛(wèi)星照片，然后選擇幾個車棚選項之一。他們可以點擊生成免費的 pdf 報告，其中包含車棚、地基、電子箱和電力電纜的機械圖紙。并再次單擊以購買和安排安裝。

另一個網(wǎng)站可以允許人們輸入地址，查看屋頂?shù)男l(wèi)星視圖，并指定要安裝的太陽能電池板的數(shù)量。然后計算機生成的圖紙可以顯示面板位置以及其他相關(guān)信息。

計算機程序員可以在不接觸太陽能電池板的情況下構(gòu)建原型網(wǎng)站。此外，他們可以將他們的代碼免費和開放地提供給其他人，以鼓勵其他人在他們的工作基礎上再接再厲。 ?

6) 開發(fā)將現(xiàn)有數(shù)據(jù)連接到自動化市場的軟件

上面討論的自動化市場需要有關(guān)建筑物的信息，例如照片、3D 模型和建筑圖紙。他們希望數(shù)據(jù)采用通用格式，并適用于所有建筑物。以下來源符合這些條件；但是，它們的準確性不足：

谷歌街景維護從街道上拍攝的照片。

Google 3D主要根據(jù)衛(wèi)星圖像計算建筑物和樹木的 3D 模型。要了解其工作原理，請訪問Google 地球并在搜索字段中輸入地址。

城市維護所有建筑物的建筑圖紙；然而，他們的數(shù)據(jù)文件有不同的格式，如果有數(shù)字版的話。城市還以不同的格式（例如水管、電線）保存有關(guān)地下和地上基礎設施的信息。

程序員可以為市場軟件開發(fā)將不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通用格式的軟件。這個界面軟件可以是免費和開放的，以鼓勵使用，并幫助城市控制界面，因為他們擔心界面的使用方式。

7) 開發(fā)航空影像采集系統(tǒng)

程序員還可以開發(fā)從無人機、直升機和飛機拍攝陸地航拍照片的系統(tǒng)。

美國最大的 150 個大都市區(qū)包含75% 的人口，一年內(nèi)可以用一架小型飛機拍攝這些區(qū)域。在低空（例如 1 公里），帶有高分辨率相機的長焦鏡頭可以拍攝像素大小為幾厘米寬的照片。就表面積而言，這些像素可能比典型衛(wèi)星圖像中的像素小 50 到 1000 倍（例如 10 對 1600cm 2）。此外，一架飛機可以從不同角度為同一物體拍攝多張照片，太陽始終與相機鏡頭大致平行以減少陰影，如圖 13 所示。在下面的概念中，陸地被拍攝了 3 次：-45 °上午，中午0°，下午+45°。此外，人們可以從有陰影的角度拍照，或者在太陽被遮擋時拍照。

圖 13：支持自動化太陽能市場的圖像采集系統(tǒng)

如果一張照片拍攝 150 個大都市區(qū)，每個 50 x 50km 大小，每 3 x 3cm 像素 3 個字節(jié)，支持 5 個不同的角度，那么一個人需要 6250 TB 的存儲空間（（150 個區(qū)域 x 5 張圖像 x 3 字節(jié)/像素 x ( 50e3m^2) x (100cm/3cm)^2) / 1e12 字節(jié)）。如果將這些存儲在 4TB 硬盤上，并且每個磁盤花費 100 美元，那么需要 1560 個磁盤，總磁盤成本為 156,000 美元。

一架飛機可以同時用多個指向不同方向的相機拍照，并支持不同的光譜。例如，檢測熱量的紅外攝像機可用于識別有故障的太陽能電池板和絕緣不良的建筑物。此外，程序員可以計算對象的3D 模型，從不同角度給定圖像，以及其他信息源。

總之，維護準確圖像和 3D 模型的計劃將有助于以相對較低的成本實現(xiàn)自動化市場。

8) 制定全市太陽能電池板分銷計劃

如上所述，太陽能電池板在中國的大批量成本約為 0.27 美元/瓦，在中國以外的小批量成本約為 1 美元/瓦。為了幫助降低中國以外的太陽能電池板成本，計算機程序員可以開發(fā)軟件，幫助城市從中國大量購買太陽能電池板，然后通過基于網(wǎng)站的自動化系統(tǒng)以低價出售給當?shù)匕惭b商。

裝滿面板的集裝箱可以運送到城市存放設備的停車場。太陽能安裝人員可以在網(wǎng)站上預付款，并在受信任的個人監(jiān)督下在運輸集裝箱中收集電池板。隨后，城市可以降低太陽能的成本，并使建筑物更容易從邊到邊覆蓋屋頂。缺點是選擇減少；但是，安裝人員可能會喜歡一種低成本的選擇。

程序員可以編寫軟件，在一個城市建立原型以確保系統(tǒng)正常運行，并使他們的軟件免費開放，以鼓勵世界各地的城市降低太陽能電池板的成本。

9) 制定全市太陽能電池板安裝計劃

如果一個城市、電力公司或太陽能公司可以訪問設計軟件、建筑物的照片和 0.27 美元/W 的電池板堆棧，他們可能會考慮更進一步并自行安裝太陽能電池板。業(yè)主可以簽訂協(xié)議，租用屋頂以換取現(xiàn)金等利益。

工程師可以探索通過一盒電子設備將太陽能電池板連接到電網(wǎng)，該電子設備連接到外墻表面，靠近電力從街道進入建筑物的位置，如圖 14 所示。這將允許人們在不進入的情況下進行安裝和維護建筑物。工程師可以開發(fā)這種電子設備盒，并在它和外部服務器之間建立一個通信系統(tǒng)。

圖 14：太陽能電池板無需進入建筑物即可連接到電網(wǎng)

程序員可以開發(fā)軟件，為業(yè)主提供網(wǎng)站用戶界面，維護資產(chǎn)清單（例如太陽能電池板），與太陽能電子設備通信，并指導自動化設備進行安裝和維護。程序員可以在一個小城市建立原型系統(tǒng)以確保軟件正常運行，并發(fā)布源代碼以鼓勵全球使用。

10) 開發(fā)具有監(jiān)控和通信功能的標準化太陽能電子設備

電氣工程師只需花費相對較少的資金，就可以在光伏太陽能電子設備和外部服務器之間開發(fā)一個標準化的通信系統(tǒng)。這有助于實現(xiàn)光伏太陽能安裝、維護和維修的自動化。

此外，標準化的通信可以幫助識別故障或故障設備，并幫助了解組件的使用壽命。更具體地說，可以監(jiān)測電壓、電流、功率、效率、振動、陽光、風、進水和溫度（PCB、大氣、太陽能電池板）。實施可能涉及設計連接到太陽能電池板的電子設備、構(gòu)建原型以及免費向公眾提供所有設計以促進標準化。

例如，如果電子產(chǎn)品的功率轉(zhuǎn)換器盒被宣傳為支持600W功率，并且在沙漠中以600W的功率運行，那么它可能會因溫度過高而斷電，或者在30天內(nèi)造成永久性損壞。換句話說，人們通常需要以低于宣傳功率的功率運行電子設備?；蛘?，自由開放的設計可以包括詳細的組件分析，將故障建模為功率負載和溫度的函數(shù)。例如，對于100W、200W和300W功率水平，圖可以繪制平均無故障時間（MTBF）與大氣溫度的關(guān)系，而不是聲稱為“600W”（即X-Y圖中的3個圖）。

壽命是負載功率和外部溫度的函數(shù)，可以記錄在數(shù)據(jù)表中。然而，這很少做到，因為競爭對手被迫夸大能力，并以犧牲壽命為代價降低成本。另一方面，買家有時需要了解壽命，以控制壽命成本。因此，可能需要包含準確壽命數(shù)據(jù)的開放式設計。

結(jié)論

由于重大的軟件挑戰(zhàn)，在建筑物上自動安裝太陽能電池板并不容易。但是，考慮到大量的研發(fā)預算，工程師可以向前推進。如上所述，出于多種原因，一家公司無法為此提供資金。隨后，基金會和/或政府將需要加強。降低綠色能源成本的研發(fā)可能是政府應對氣候變化的成本最低的方式；因此，他們應該考慮在建筑物上實現(xiàn)太陽能安裝的自動化，即使成本高達數(shù)十億美元。

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