环境项目

挖掘太阳能发电潜力,一次一个屋顶

2016 年 12 月
一位男士站在古朴雅致的房屋前,屋顶上安装了太阳能电池板。

太阳可产生数量惊人的能量。它在 1 秒内产生的能量足以满足人类社会 50 万年的需求。更重要的是,阳光照射地球一小时的能量便足以满足全球经济一整年的用电需求。遗憾的是,我们只利用了其中非常小的一部分。如果美国所有适合的屋顶上都安装上太阳能电池板,将可以满足全国 39% 的能源需求。总之,人类在利用太阳能方面拥有巨大的潜力,也就是说还有巨大的潜能有待挖掘。

为什么太阳能的价值仍被严重低估呢?这在一定程度上是基础设施的问题:传统电网不太适合输送可再生能源。同时这也是营销的问题:很多人仍然认为在家中使用太阳能非常昂贵,甚至是奢侈的,但事实上,太阳能的生产成本目前处于历史最低位,其费用往往会低于电网供电的费用。

但归根结底这是一个信息问题。大多数人对于使用太阳能存在很多疑问,比如成本问题、天气和光照模式、可使用的屋顶面积、角度和倾斜度、政府激励措施等。但相关信息在网上随手可得,比如美国能源部的数据库1、太阳能供应商的网站,等等。换句话说,太阳能的易获取性远未达到它应该而且也可以达到的水平。

不过,几年前,Google 马萨诸塞州剑桥办事处的工程师 Carl Elkin 发现:如果将大量的不同数据流汇集在一起,并进行一些巧妙的数学运算,就可以得出任何指定地址的屋顶可以提供多少太阳能的可靠估算值

Sunroof 界面显示曼哈顿的太阳能发电能力
Sunroof 界面显示曼哈顿的太阳能发电能力

这个想法始于 Google 地球中显示的屋顶卫星图像:这些图像提供了一个数字表面模型,该模型能够显示屋顶朝向(朝向南方或西南方向最佳)、屋顶倾斜度以及是否存在树木等遮蔽物。在此基础上,可以通过跟踪白天的光照情况,使用 3D 几何图形构建一个可计算有多少阳光照射在屋顶表面的模型。然后添加有关天气模式的数据,计算全年的平均值,将光照转换为千瓦时,最后便可得出结果:屋顶太阳能发电潜力的基准估算值。接下来,只需再进行几项额外的计算,即可得出专门针对相应地址的成本估算值。

Elkin 与同事们分享了这个想法。来自五个办事处的数十人自告奋勇,想要参与这个项目。Elkin 说:“好多人都踊跃参与进来”。项目团队一边不断改进工具,一边加入更多的设想。Sunroof 会计算 20 种不同能源使用情况的平均值,并且用户可以输入具体的费用和使用情况,以获得更准确的结果。2此外,该团队还利用机器学习技术来帮助 Sunroof 执行各种任务,例如更好地区分屋顶和树木,测量天空中各个区域的光照,等等。

阳光照射地球一小时的能量便足以满足全球经济一整年的用电需求。遗憾的是,我们只利用了其中非常小的一部分。

Sunroof 处理了大约 1 PB (1000 TB) 的数据:4300 万座房屋的屋顶高度和颜色、天气信息、约 1000 项州级和地方激励措施,以及成百上千的地方电费费率。

在过去的 3 年里,Sunroof 对于 Elkin 及其团队来说,已经从一项利用零碎时间开展的兼职项目发展成为大家全心投入的全职工作。该服务最初是为了提高消费者的意识并普及相关知识,现在,感兴趣的房主还可以通过该服务轻松地与所在区域内的太阳能供应商联系。Sunroof 项目覆盖了美国境内的 4300 万个屋顶,占所有房屋的 50% 以上,并且未来几个月内其覆盖范围将扩展到全部 50 个州。

Sunroof 工程团队在 Google 剑桥办事处
Sunroof 工程团队在 Google 剑桥办事处

此外,该团队也在探索将覆盖范围扩展到全球,并于近期推出了数据浏览器,这款工具可让研究人员、社区宣传者和地方政策制定者获得更多有关太阳能发电潜力的汇总数据,从而帮助他们制定在州、县、城市和社区级更大规模部署太阳能的方案。

实际上,该行业面临的最大财务障碍之一就是获客成本太高;供应商之间竞争非常激烈,他们为赢得新合同而支出的费用几乎达到了安装费用的 44%。3为了解决这个问题,Sunroof 免费向太阳能供应商推荐客户。4我们认为这是推动太阳能走进千家万户的最好方法。

project sunroof

1http://www.nrel.gov/

2目前已在 42 个州推出。

3http://www.nrel.gov/docs/fy15osti/64746.pdf

4仅当相应人员明确要求我们将其联系信息提供给太阳能供应商时,我们才会这样做。