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美国居民平均支付2.81 美元/瓦在屋顶上安装光伏太阳能电池板；然而，这些面板本身在中国的批发价仅为 0.27 美元/瓦。这意味着 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）。
目前全世界每年在发电和配电上花费3.4 吨，如果花费超过 30 年，则可以达到 100 吨（3.4 吨 x 30）。脱碳需要用太阳能、风能、水力和核能取代其中的大部分。其中一些将通过建筑物上的太阳能电池板实现。例如，如果 5% 是建筑物上的太阳能（$5T），而自动化将其减少了 30%，那么自动化将节省 $1500B。因此，政府和/或基金会花费数十亿美元来自动化光伏太阳能安装、维护、维修、客户获取、报价、承包、许可和设计是合理的。
太阳能设计 101
太阳能电池板通过不穿透防水层的支架连接到屋顶表面，如图 1 所示。电池板下方的电缆将电力输送到建筑物并终止于电气设备箱。这些盒子使建筑物成为相对于外部电网的净消费者或净电力生产者。
图 1：太阳能电池板通过支架连接到建筑物屋顶表面
太阳能经济学 101
美国光伏太阳能的平均成本为来自太阳能农场的 0.036 美元/千瓦时，来自商业建筑的 0.068 美元/千瓦时，以及来自住宅建筑的 0.107 美元/千瓦时（NREL ATB 2021，光伏发电，5 级，中等）。建筑物上的太阳能似乎没有传输成本；然而，这是不准确的，因为建筑物在太阳下山时使用传输基础设施（即它们在晚上从碳源获取电力）。
建筑物上的太阳能比太阳能发电场成本更高，因为每个建筑物都有独特的机械、电气和承包复杂性。附近有未利用土地的太阳能发电场可以以较低的增量成本安装额外的太阳能电池板。因此，没有太阳能的消费者更愿意以0.036美元/千瓦时的价格从太阳能发电场购买电力，而不是以0.107美元/千瓦小时的价格从配有太阳能电池板的建筑物购买电力。然而，如果土地供应不足，屋顶空间随时可用，那么太阳能建筑就更具吸引力。
美国天然气发电的批发成本通常为0.04美元/千瓦时。随后，人们可能会得出结论，0.036美元/千瓦时的光伏太阳能发电场成本低于碳基电力。然而，事实并非如此，因为碳基设施已经建成并支付了费用。因此，当向现有的碳基系统中添加间歇性绿色能源时，消费者的成本会增加。
美国目前有 40% 的电力来自绿色能源（19% 的核能、7% 的水电、3.3% 的太阳能、9% 的风能）。如果通过 0.036 美元/kWh 光伏太阳能发电场和陆上风电场将这一比例提高到 85%，那么消费者的成本将增加 ≤0.02 美元/kWh。换句话说，使大部分电力脱碳有点容易。然而，58% 的能源不是电力（例如交通运输、制造化学品和材料），如何以低成本使非电力脱碳尚不清楚。
建设太阳能和风能直到饱和
世界上有超过 512 个城市，人口超过 100 万。可以将每一个都简化为三个要素：(a)消耗电力且没有太阳能空间的城市建筑，(b) 具有光伏太阳能的郊区建筑，以及 (c) 都会区以外的光伏太阳能农场。每个都会区都有不同数量的每种元素。例如，拉斯维加斯有大量土地可用于光伏发电场，而台北周围的土地则需要用于农业。休斯顿主要是郊区，而香港主要是城市。
通常情况下，拥有太阳能电池板的美国居民将获得 0.13 美元/千瓦时（美国平均零售发电 + 输电）为自己发电，而仅获得 0.034 美元/千瓦时为邻居发电。换句话说，通常没有动力为城市中心提供完全覆盖太阳能电池板的屋顶。换句话说，房主可能以 0.107 美元/千瓦时的成本安装太阳能，然后使用面板来避免以 0.13 美元/千瓦时的价格从电网购买（即太阳能提供 0.027 美元/千瓦时的收益）。然而，当建筑物向电网出售多余的电力时，电力公司通常只支付 0.034 美元/千瓦时，因为他们可以以这个价格从其他来源购买。因此，房主没有动力完全覆盖他们的屋顶，只为自己安装面板。
我们现在将描述一个假设情景，解释为什么电力公司不愿对绿色电力生产商更加慷慨。假设我们神奇地用太阳能电池板覆盖了大都市区一半的建筑物，以至于它们产生的能量与一年消耗的能量相同，而电费为 0 美元/年。如果发生这种情况，那么另一半的地铁建筑的电费将翻一番，因为他们将承担现有碳基基础设施的成本，而不是分担。大幅增加成本在政治上不受欢迎。
人们可能希望在每个大都市区周围建立太阳能和风能发电，直到晴天和大风时供应超过需求。在达到这个“饱和度”后，该地区将不愿意建造更多的太阳能和风能，因为能源正在被丢弃。在许多情况下，这种饱和会发生在 80% 到 90% 的电力来自绿色能源之后。正如我们在实现零 CO 2排放的计划中所讨论的那样，达到饱和是所有都会区的一个有价值的目标，也是脱碳的第一阶段。
如何推动太阳能在建筑物上的全面覆盖，边缘到边缘？
为了推动太阳能在建筑物上的全覆盖，直到一个大都市地区由于饱和而在中午停止用电，需要满足以下条件：
城市签署电力购买协议 (PPA)，同意从碳供应商那里以特定价格购买特定数量的电力。当大都市地区增加太阳能时，它需要减少碳源的输出，并在可用时用绿色电子代替。在许多情况下，这需要更改之前签署的 PPA。为了做到这一点，许多国家需要新的法律，正如如何加速绿色电力中所讨论的那样。
安装太阳能的建筑物通常寻求 5 到 12 年的投资回收期。这适用于使建筑物成为电力净生产商的附加面板。
需要政府干预才能要求消耗更环保和更昂贵的电力。这通常会导致净消费者的成本增加，如果保持较小（例如≤0.02 美元/kWh 增加），通常在政治上是可以接受的。换句话说，我们不希望城市中心的净消费者看到超过约 0.02 美元/kWh 的价格上涨，即使一半的大都市消费者已经成为净生产者。否则，净消费者将在政治上阻止政府干预导致他们的电费过度增加。
城市中心的净消费者更愿意从光伏太阳能发电场购买廉价电力（例如 0.034 美元/千瓦时），而不是从建筑太阳能购买昂贵的电力（例如 0.107 美元/千瓦时）。为了更具竞争力，基于建筑的太阳能需要降低成本，也许是 2 到 3 倍。
请注意，上述条件中的 4 项中有 3 项涉及降低建筑物的太阳能成本。
这可以通过自动化来完成，而且由于世界正在考虑在 30 年内花费数万亿美元在基于建筑的太阳能上，因此花费数十亿美元来降低成本是有意义的。
现在，我们将回顾一下工程师在使用大量太阳能自动化研发预算时可能会做的十件事。
1) 制定有助于光伏太阳能安装自动化的标准
工程师可以开发一个标准化系统，用于将机器连接到关节臂的末端，如图 2 所示。
图 2：具有可互换机器的自动化太阳能安装平台
图 3 所示为一次使用一个刀具的铣床的刀具交换器。类似的方法可以应用于安装在卡车上的关节臂或工业机器人。
图 3：铣床的可互换刀具
目前有一些机器可以自动砌砖，如本视频所示。安装太阳能电池板的机器可能类似；然而，太阳能需要处理许多独特的结构，而砖层从已知的平面开始，因此需要的软件要少得多。
人们可以通过起重机、吊臂和铰接臂上的标准化轨道将太阳能电池板和金属框架从卡车上移到车顶；如图 4 中红色和蓝色所示。
图 4：沿铰接臂的轨道支撑移动材料的有轨电车
安装在有轨电车上的电机可以与线性齿轮连接并提供推进力，如图 5 中左下角所示。有轨电车顶部右下方的标准化安装板可以与机器连接，就像机器连接到机器一样关节臂的末端。
图 5：有轨电车沿电气化轨道行驶并为机器提供标准化接口
电车上的机器可能主要专注于材料运输，而铰接臂末端的机器可能专注于安装。例如，可以将带有一堆太阳能电池板的料斗放在电车上，并将工业机器人连接到关节臂的末端。有关详细信息，请参阅自动化太阳能电池板安装。
轨道可以由地面卡车用 48VDC 等低压供电，以提高抗冲击的安全性。这可以为有轨电车、连接到有轨电车的机器以及连接到关节臂的机器提供动力。
在使用大型商业屋顶时，可以通过桁架将机器移动到任何位置，如图 6 所示。这有助于移动金属框架、组装框架、移动太阳能电池板、安装电池板和清洁电池板。
图 6：桁架上的导轨支持将机器移动到大屋顶上的任何位置
铰接臂和起重机的制造商可以毫不费力地升级他们的设备来支持这个系统，因为他们可以安装轨道硬件、增加动力，然后让有轨电车和机器来完成工作。机器可以专注于它们的特定功能，同时将运动委托给关节臂和电车。此外，有轨电车可以沿一条铁路线并行运行。
为了让它发挥作用，工程师可以制定定义导轨和安装板的机械、电气和通信标准。它们可以支持多种尺寸，因为一些应用涉及小负载，而另一些则涉及大负载（例如 25 公斤、100 公斤、400 公斤、1500 公斤、6,000 公斤和 25,000 公斤）。
工程师可以制定标准，定义电车、机器、传感器、摄像机和控制执行器如何与中央计算机接口。软件可以从相机接收图像并计算对象数据库。如果物体在移动，还可以计算速度矢量。高级软件可以扫描对象数据库，并做出决定。
不要指望公司为这一发展提供资金，因为缺少一个要素会阻碍收入。此外，公司无法负担开发有利于他人的标准。相反，他们更喜欢他们拥有的专有系统。但是，自己开发它可能会让人不知所措。
警告：自动化施工可能会导致更多的施工、更多的材料使用、更多的能源消耗和更多的 CO2排放。
2) 开发支持自动化安装的工厂制造太阳能套件
许多大都市地区没有足够的屋顶表面来为整个大都市地区提供太阳能。出于这个原因，工程师可以开发支持更多面板的工厂制造套件，如图 7 所示。
图 7：太阳能电池板的工厂制造结构
为了降低成本，工程师可以尽量减少框架使用的材料，如图 8 所示。
图 8：使用最少材料的太阳能支架框架
为了自动化框架和面板的安装，可以将大型工厂制造的子组件堆叠到一个运输容器中（例如每个 0.5 x 2.5 x 10m），运输到现场，然后使用起重机辅助机器连接子组件，如图 9 所示。带有集装箱、起重机和悬挂机器的卡车都可以通过一台通用计算机进行协调。
图 9：太阳能支撑结构的自动安装
电机可以将面板转向太阳，以增加收集的能量。旋转也有助于避免风、冰雹和雪。风速为 160 公里/小时，每平方米的表面积推力 244 公斤。例如，每小时 160 公里的风向 13 x 10 米的表面（13 米 x 10 米 x 244 千克/米2 ）推动 31,700 千克。因此，在暴风雨中旋转可能会有所帮助。
经济地进行这项工作是一个巨大的挑战，因为安全的间接费用结构往往成本高昂。好消息是工程师可以在不花费大量资金的情况下进行粗略设计、计算成本并手动构建原型结构。
设计结构本身有些容易。然而，设计自动安装机器的机制可能要困难十倍。更难的是编写控制机器的软件，也许是另外十倍。换句话说，自动化需要大量的研发预算。
3) 开发自动化安装的工厂制造车棚
工程师可以做与上述相同的事情，但使用由自动化机器组装的工厂制造的车棚，如图 10 所示。
图 10：自动化安装可能支持的太阳能车棚
为了自动放置地基，计算机控制下的卡车可以用螺旋钻钻孔并下入预制混凝土地基，或浇注混凝土，如图 11 所示。
图 11：自动基础放置系统
4）降低超大屋顶的成本
房子需要许多太阳能电池板才能成为电力的净生产者，尤其是在寒冷气候下使用电力取暖的情况下。随后，人们可能会考虑一个超大屋顶，如图 12 所示。建筑师John Meyer提出的这个概念说明了建筑面积与太阳能表面的 1:1 比率（即两者均为 185m 2）。如果仔细检查，他们会发现一半的屋顶不在结构上方。
图 12：加长屋顶有利于太阳能与地板空间的 1:1 比例
在这个概念中，朝阳的屋顶被拉长了 2 倍，并支持 112 个面板，每个面板的尺寸为 1.7 x 1m（360W/面板）。面向太阳时总发电量为40kW。这相当于 7100 美元/年 @ 0.13 美元/千瓦时，6 万美元系统成本 @ 1.50 美元/瓦，360 瓦/面板，55000 千瓦时/年，一年平均 6.3 千瓦。这每年产生的电力是美国普通家庭消耗的电力的 5 倍。然而，在用电取暖和为城市中心的朋友供电时，需要超过平均水平。
使超大屋顶在经济上可行是一项挑战，因为类似于此处所示的大型结构往往成本高昂。然而，工程师们可以通过使用工厂制造的轻型框架扩展传统屋顶来在经济上完成这项工作。或者用自动化装配和自动化设计支持的预制模块制作屋顶结构。
5) 开发自动化市场软件
客户获取涉及建筑业主致电多家供应商，拜访多家供应商，然后选择其中一家。这通常会消耗供应商和客户的时间，时间就是金钱。为了降低成本，软件工程师可以开发网站，使设计、客户获取、合同、调度和许可自动化。
这属于“自动化市场”的广泛类别。例如Uber、Airbnb和Xometry。理论上，任何上述讨论的基于太阳能的机械系统都可以由自动化市场网站支持。
例如，房主可以在网站中输入他们的地址，查看他们车道的卫星照片，然后选择几个车棚选项之一。他们可以点击生成免费的 pdf 报告，其中包含车棚、地基、电子箱和电力电缆的机械图纸。并再次单击以购买和安排安装。
另一个网站可以允许人们输入地址，查看屋顶的卫星视图，并指定要安装的太阳能电池板的数量。然后计算机生成的图纸可以显示面板位置以及其他相关信息。
计算机程序员可以在不接触太阳能电池板的情况下构建原型网站。此外，他们可以将他们的代码免费和开放地提供给其他人，以鼓励其他人在他们的工作基础上再接再厉。
6) 开发将现有数据连接到自动化市场的软件
上面讨论的自动化市场需要有关建筑物的信息，例如照片、3D 模型和建筑图纸。他们希望数据采用通用格式，并适用于所有建筑物。以下来源符合这些条件；但是，它们的准确性不足：
谷歌街景维护从街道上拍摄的照片。
Google 3D主要根据卫星图像计算建筑物和树木的 3D 模型。要了解其工作原理，请访问Google 地球并在搜索字段中输入地址。
城市维护所有建筑物的建筑图纸；然而，他们的数据文件有不同的格式，如果有数字版的话。城市还以不同的格式（例如水管、电线）保存有关地下和地上基础设施的信息。
程序员可以为市场软件开发将不同格式的数据转换为通用格式的软件。这个界面软件可以是免费和开放的，以鼓励使用，并帮助城市控制界面，因为他们担心界面的使用方式。
7) 开发航空影像采集系统
程序员还可以开发从无人机、直升机和飞机拍摄陆地航拍照片的系统。
美国最大的 150 个大都市区包含75% 的人口，一年内可以用一架小型飞机拍摄这些区域。在低空（例如 1 公里），带有高分辨率相机的长焦镜头可以拍摄像素大小为几厘米宽的照片。就表面积而言，这些像素可能比典型卫星图像中的像素小 50 到 1000 倍（例如 10 对 1600cm 2）。此外，一架飞机可以从不同角度为同一物体拍摄多张照片，太阳始终与相机镜头大致平行以减少阴影，如图 13 所示。在下面的概念中，陆地被拍摄了 3 次：-45 °上午，中午0°，下午+45°。此外，人们可以从有阴影的角度拍照，或者在太阳被遮挡时拍照。
图 13：支持自动化太阳能市场的图像采集系统
如果一张照片拍摄 150 个大都市区，每个 50 x 50km 大小，每 3 x 3cm 像素 3 个字节，支持 5 个不同的角度，那么一个人需要 6250 TB 的存储空间（（150 个区域 x 5 张图像 x 3 字节/像素 x ( 50e3m^2) x (100cm/3cm)^2) / 1e12 字节）。如果将这些存储在 4TB 硬盘上，并且每个磁盘花费 100 美元，那么需要 1560 个磁盘，总磁盘成本为 156,000 美元。
一架飞机可以同时用多个指向不同方向的相机拍照，并支持不同的光谱。例如，检测热量的红外摄像机可用于识别有故障的太阳能电池板和绝缘不良的建筑物。此外，程序员可以计算对象的3D 模型，从不同角度给定图像，以及其他信息源。
总之，维护准确图像和 3D 模型的计划将有助于以相对较低的成本实现自动化市场。
8) 制定全市太阳能电池板分销计划
如上所述，太阳能电池板在中国的大批量成本约为 0.27 美元/瓦，在中国以外的小批量成本约为 1 美元/瓦。为了帮助降低中国以外的太阳能电池板成本，计算机程序员可以开发软件，帮助城市从中国大量购买太阳能电池板，然后通过基于网站的自动化系统以低价出售给当地安装商。
装满面板的集装箱可以运送到城市存放设备的停车场。太阳能安装人员可以在网站上预付款，并在受信任的个人监督下在运输集装箱中收集电池板。随后，城市可以降低太阳能的成本，并使建筑物更容易从边到边覆盖屋顶。缺点是选择减少；但是，安装人员可能会喜欢一种低成本的选择。
程序员可以编写软件，在一个城市建立原型以确保系统正常运行，并使他们的软件免费开放，以鼓励世界各地的城市降低太阳能电池板的成本。
9) 制定全市太阳能电池板安装计划
如果一个城市、电力公司或太阳能公司可以访问设计软件、建筑物的照片和 0.27 美元/W 的电池板堆栈，他们可能会考虑更进一步并自行安装太阳能电池板。业主可以签订协议，租用屋顶以换取现金等利益。
工程师可以探索通过一盒电子设备将太阳能电池板连接到电网，该电子设备连接到外墙表面，靠近电力从街道进入建筑物的位置，如图 14 所示。这将允许人们在不进入的情况下进行安装和维护建筑物。工程师可以开发这种电子设备盒，并在它和外部服务器之间建立一个通信系统。
图 14：太阳能电池板无需进入建筑物即可连接到电网
程序员可以开发软件，为业主提供网站用户界面，维护资产清单（例如太阳能电池板），与太阳能电子设备通信，并指导自动化设备进行安装和维护。程序员可以在一个小城市建立原型系统以确保软件正常运行，并发布源代码以鼓励全球使用。
10) 开发具有监控和通信功能的标准化太阳能电子设备
电气工程师只需花费相对较少的资金，就可以在光伏太阳能电子设备和外部服务器之间开发一个标准化的通信系统。这有助于实现光伏太阳能安装、维护和维修的自动化。
此外，标准化的通信可以帮助识别故障或故障设备，并帮助了解组件的使用寿命。更具体地说，可以监测电压、电流、功率、效率、振动、阳光、风、进水和温度（PCB、大气、太阳能电池板）。实施可能涉及设计连接到太阳能电池板的电子设备、构建原型以及免费向公众提供所有设计以促进标准化。
例如，如果电子产品的功率转换器盒被宣传为支持600W功率，并且在沙漠中以600W的功率运行，那么它可能会因温度过高而断电，或者在30天内造成永久性损坏。换句话说，人们通常需要以低于宣传功率的功率运行电子设备。或者，自由开放的设计可以包括详细的组件分析，将故障建模为功率负载和温度的函数。例如，对于100W、200W和300W功率水平，图可以绘制平均无故障时间（MTBF）与大气温度的关系，而不是声称为“600W”（即X-Y图中的3个图）。
寿命是负载功率和外部温度的函数，可以记录在数据表中。然而，这很少做到，因为竞争对手被迫夸大能力，并以牺牲寿命为代价降低成本。另一方面，买家有时需要了解寿命，以控制寿命成本。因此，可能需要包含准确寿命数据的开放式设计。
结论
由于重大的软件挑战，在建筑物上自动安装太阳能电池板并不容易。但是，考虑到大量的研发预算，工程师可以向前推进。如上所述，出于多种原因，一家公司无法为此提供资金。随后，基金会和/或政府将需要加强。降低绿色能源成本的研发可能是政府应对气候变化的成本最低的方式；因此，他们应该考虑在建筑物上实现太阳能安装的自动化，即使成本高达数十亿美元。
审核编辑 黄昊宇
工商网监
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