Calcolare i costi e il risparmio dell'energia solare (solo Stati Uniti)

Questo documento spiega come l'API Solar calcola i vari valori che utilizza per consigliare installazioni di pannelli solari e per stimare i costi e i risparmi sui costi per gli indirizzi degli Stati Uniti.

Se inserisci l'indirizzo di una casa in una regione coperta degli Stati Uniti, l'API Solar mostra le seguenti stime:

• La quantità di luce solare che la casa riceve ogni anno
• Quanto spazio è disponibile sul tetto per un'installazione solare
• Quanti risparmi, in dollari statunitensi, può aspettarsi la casa nell'arco della vita di 20 anni di un impianto solare
• La bolletta elettrica mensile media per le case della tua zona, che puoi aggiustare in base alla tua casa
• Una dimensione consigliata, misurata in kilowatt (kW), per un impianto solare sulla casa

Sebbene l'API Solar fornisca stime per qualsiasi struttura di cui dispone di dati, queste sono più adatte a residenze o piccole strutture commerciali. L'API Solar consiglia le dimensioni degli impianti solari che massimizzano il risparmio senza produrre più energia in un anno di quanto un nucleo familiare possa consumare. L'API Solar non calcola i valori relativi alla produzione di energia in eccesso.

Le dimensioni di installazione consigliate sono limitate al consumo energetico annuale per diversi motivi, ma principalmente perché le famiglie statunitensi attualmente traggono scarsi o nessun vantaggio finanziario dalla produzione di energia in eccesso. Nelle località degli Stati Uniti che dispongono del conteggio netto, i crediti guadagnati dalla produzione di energia in eccesso in genere scadono nel tempo.

Valori richiesti per l'analisi finanziaria per le sedi negli Stati Uniti

Per ogni istanza SolarPanelConfig nella risposta dell'API, sono necessari due valori per eseguire l'analisi finanziaria per quell'istanza:

• panelsCount: il numero di pannelli solari in un'installazione. Utilizza questo valore per il calcolo del installationSize.
• yearlyEnergyDcKwh: la quantità di energia solare che un layout acquisisce nel corso di un anno, in kWh in corrente continua, in base a un panelsCount specifico. Utilizza questo valore per calcolare la produzione annuale di energia solare in corrente alternata (initialAcKwhPerYear) di ogni installationSize.

Inoltre, devi raccogliere valori specifici per località per le seguenti variabili che utilizzerai nei calcoli:

• billCostModel(): il tuo modello per determinare il costo, in valuta locale, pagato da un nucleo familiare per l'utilizzo di un determinato numero di kWh. L'importo addebitato da un fornitore di servizi pubblici per l'elettricità può variare da un giorno all'altro o da un'ora all'altra, a seconda di fattori quali la domanda, l'ora del giorno e la quantità di elettricità consumata dal nucleo familiare. Potresti dover stimare un costo medio.
• costIncreaseFactor: l'API Solar utilizza 1,022 (2,2% aumento annuale) per le località degli Stati Uniti.
• dcToAcDerate: l'efficienza con cui un inverter converte l'elettricità CC prodotta dai pannelli solari in elettricità CA utilizzata in un'abitazione. L'API Solar utilizza 85% per le località degli Stati Uniti.
• discountRate: l'API Solar utilizza 1,04 (aumento annuale del 4%) per le località degli Stati Uniti.
• efficiencyDepreciationFactor: il grado di calo dell'efficienza dei pannelli solari ogni anno. L'API Solar utilizza 0,995 (0,5% diminuzione annuale) per le località degli Stati Uniti.
• incentivi: includi eventuali incentivi monetari per l'installazione di pannelli solari offerti da enti governativi della tua zona.
• installationCostModel(): il tuo metodo per stimare il costo dell'installazione di un impianto solare in valuta locale per un determinato installationSize. Il modello di costo in genere tiene conto dei costi locali di manodopera e materiali per un determinato installationSize.
• installationLifeSpan: la durata prevista dell'impianto solare. L'API Solar utilizza 20 anni. Modifica questo valore in base alle esigenze della tua area.
• kWhConsumptionModel(): il modello per determinare la quantità di energia consumata da un nucleo familiare in base a una fattura mensile. Nella sua forma più semplice, devi dividere la bolletta per il costo medio di un kWh nella località del nucleo familiare.
• monthlyBill: la bolletta elettrica mensile media di un nucleo familiare soggetto.
• monthlyKWhEnergyConsumption: una stima della quantità media di energia elettrica consumata in un mese dal nucleo familiare in una determinata località, misurata in kWh.

Con questi valori e le informazioni fornite dalla risposta dell'API, puoi eseguire i calcoli necessari per consigliare il installationSize migliore per le località non coperte dall'API Solar.

Come funziona

La bolletta elettrica mensile media è la chiave per il resto dei calcoli.

L'API Solar basa inizialmente i suoi calcoli su un importo della fattura mensile preselezionato. Se necessario, puoi selezionare un importo diverso che rifletta con maggiore precisione la tua fattura mensile media.

Conoscendo l'importo di una bolletta mensile e il costo corrente dell'elettricità in una determinata località, l'API Solar può stimare il numero di kilowattora (kWh) di elettricità consumati da un nucleo familiare ogni mese. Per il costo corrente dell'elettricità negli Stati Uniti e per determinare i kWh da una bolletta mensile, l'API Solar fa riferimento ai database gestiti da Clean Power Research.

Utilizzando il numero di kWh consumati da un nucleo familiare, l'area utilizzabile del tetto di una casa e il potenziale solare della posizione della casa, l'API Solar valuta una o più possibili dimensioni dell'impianto solare e consiglia quella che offre il maggior risparmio.

Le dimensioni di un'installazione di pannelli solari vengono misurate in kW. La potenza in kW dipende dal numero di pannelli solari nella configurazione e dalla potenza, misurata in watt, di ciascun pannello.

La potenza in kW di un'installazione non è la stessa dell'energia in uscita di un'installazione, che viene misurata in kWh ed è variabile. La produzione in kWh di un'installazione dipende da fattori quali:

• L'orario
• Il meteo
• L'orientamento del pannello rispetto al sole
• Eventuali ombre proiettate sui pannelli da oggetti nelle vicinanze
• Il potenziale solare regionale
• L'età dell'installazione

L'API Solar include fattori come il potenziale solare regionale e l'età dell'installazione nella stima della produzione di energia annuale di un'installazione solare.

Per determinare l'area utilizzabile di un tetto e stimare le dimensioni dell'impianto solare che può supportare, l'API Solar utilizza immagini aeree e modelli 3D avanzati.

Spiegazione dettagliata dei valori e dei calcoli

Le sezioni seguenti spiegano come l'API Solar calcola i costi, i risparmi e le dimensioni delle installazioni solari per una determinata struttura negli Stati Uniti.

Le spiegazioni dei calcoli utilizzano termini per rappresentare i valori nei calcoli. Per una spiegazione dei termini, consulta la definizione dei termini utilizzati nei nostri calcoli.

Consumo energetico annuale delle famiglie

Come accennato in precedenza, l'API Solar determina il consumo mensile di energia elettrica in base all'importo della bolletta mensile e al costo dell'elettricità nella località in cui si trova un'abitazione. Dopo aver determinato il consumo mensile di elettricità di un'utenza domestica, calcoliamo il consumo energetico annuale in KWh utilizzando la seguente formula:

annualKWhEnergyConsumption = monthlyKWhEnergyConsumption x 12

Si presume che il consumo energetico di un'utenza domestica rimanga invariato di anno in anno per tutta la durata di un'installazione solare. L'API Solar presuppone che la durata di un impianto solare sia di 20 anni.

Produzione annuale di energia solare

L'API Solar stima la produzione di energia annuale di un'installazione solare tenendo conto di fattori quali l'intensità della luce solare, l'angolo di inclinazione della luce solare e il numero di ore di luce solare utilizzabile che una regione riceve ogni anno.

Le installazioni solari producono elettricità in corrente continua (DC), che deve essere trasformata in corrente alternata (AC) da un inverter prima di poter essere utilizzata in casa. Durante il processo di conversione si perde un po' di elettricità e la quantità di energia persa dipende dall'efficienza dell'inverter.

L'efficienza del processo di conversione è indicata come derating da CC a CA. Per tenere conto della perdita, l'API Solar moltiplica l'output annuale dell'impianto solare per un fattore di derating da CC a CA di 0,85. Il risultato è la produzione annuale di energia elettrica CA, come mostrato nella formula seguente:

initialAcKwhPerYear = yearlyEnergyDcKwh x 0.85

La quantità di energia prodotta da un'installazione diminuisce di circa lo 0,5% ogni anno durante il ciclo di vita dell'impianto. Per tenerne conto, dopo il primo anno, l'API Solar moltiplica l'uscita AC annuale di un'installazione per 99,5%, ovvero 0,995, ogni anno per la durata stimata di 20 anni dell'installazione. Questo è illustrato nella tabella seguente.

Anno	Produzione annuale di energia solare (kWh)
1	initialAcKwhPerYear
2	initialAcKwhPerYear x 0,995
:	:
20	initialAcKwhPerYear x 0,99519

Poiché l'efficienza dei pannelli solari diminuisce a una velocità costante, si tratta essenzialmente di una serie geometrica in cui a = potenzaACinkWhall'anno iniziale e r = coefficienteDeprecazioneEfficienza. Possiamo utilizzare una somma geometrica per calcolare il valore di LifetimeProductionAcKwh:

LifetimeProductionAcKwh = (dcToAcDerate * initialAcKwhPerYear * (1 - pow(efficiencyDepreciationFactor, installationLifeSpan)) / (1 - efficiencyDepreciationFactor))

Il costo dell'elettricità con l'energia solare

Se le dimensioni di un'installazione sono limitate dalle dimensioni del tetto o da altri fattori, l'installazione solare potrebbe produrre meno elettricità di quella consumata da un'abitazione. In questi casi, il nucleo familiare dovrà probabilmente pagare una società di servizi pubblici per una certa quantità di energia elettrica ogni anno, come mostrato nella formula seguente:

annualKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear = annualUtilityEnergyRequired

Per tenere conto di questo costo, l'API Solar applica un modello di costo della bolletta all'ammontare stimato dell'elettricità, in kWh, di cui avrà bisogno il nucleo familiare da un'azienda elettrica durante la vita dell'impianto solare. La seguente formula illustra questo calcolo:

annualUtilityBillEstimate = billCostModel(utilityEnergyRequired)

Per tenere conto dell'aumento annuale del costo dell'elettricità, applichiamo un valore di costIncreaseFactor pari al 2,2%, ovvero 0,22, all'anno per le località degli Stati Uniti:

costIncreaseFactor = 1 + 2.2% = 1.022

A causa dell'inflazione, dobbiamo scontare il valore della valuta nelle nostre stime dei costi futuri. Per tener conto di questo fattore, applichiamo una tasso di sconto del 4% al nostro modello per le località degli Stati Uniti:

discountRate = 1 + 4% = 1.04

La tabella seguente mostra come viene calcolata la bolletta elettrica di ogni anno durante la vita di un'installazione solare. remainingLifetimeUtilityBill è la somma totale delle bollette per ciascuno dei 20 anni di vita dell'impianto solare.

Anno	Bolletta annuale delle utenze in valuta locale corrente (USD) (annualUtilityBillEstimate)
1	billCostModel (yearlyKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear) = annualUtilityBillEstimateYear1
2	billCostModel (yearlyKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear x 0.995) x 1.022 / 1.04 = annualUtilityBillEstimateYear2
:	:
20	billCostModel (yearlyKWhEnergyConsumption - initialAcKwhPerYear x 0.99519) x 1.02219 / 1.0419 = annualUtilityBillEstimateYear2
Totale	remainingLifetimeUtilityBill = annualUtilityBillEstimateYear1 + annualUtilityBillEstimateYear2 + …. + annualUtilityBillEstimateYear20

Il costo dell'elettricità senza energia solare

Per calcolare quanto potrebbe risparmiare un nucleo familiare se installa un impianto solare, dobbiamo anche calcolare quanto potrebbe pagare se non lo fa.

Dobbiamo nuovamente tenere conto dell'aumento del costo dell'elettricità e dell'inflazione applicando al calcolo il costIncreaseFactor pari a 1,022 e il discountRate pari a 1,04, come abbiamo fatto quando abbiamo calcolato il costo dell'elettricità con l'energia solare.

La tabella seguente mostra come viene calcolata la bolletta elettrica annuale senza impianto solare nel corso della vita dell'impianto solare. costOfElectricityWithoutSolar è la somma totale delle bollette di utenza nello stesso periodo di 20 anni utilizzato per il costo dell'elettricità con l'energia solare.

Anno	Bolletta annuale delle utenze (USD)
1	monthlyBill x 12
2	monthlyBill x 12 x 1.022 / 1.04
:	:
20	monthlyBill x 12 x 1,02219 / 1,0419
Totale	Somma di tutte le fatture annuali, che può essere espressa anche come costOfElectricityWithoutSolar = 204,35 x monthlyBill

Il costo dell'installazione di impianti solari

L'API Solar include il costo di installazione della configurazione solare consigliata nelle stime che fornisce. Per stimare il costo di un'installazione, l'API Solar utilizza un modello di costo di installazione localizzato e le dimensioni dell'installazione.

installationCost = InstallationCostModel (installationSize)

Incentivi

Gli enti governativi potrebbero fornire incentivi per l'installazione di impianti solari. Gli incentivi spesso si presentano sotto forma di crediti fiscali. In base alla località di un nucleo familiare, l'API Solar sottrae dalla stima dei costi totali gli eventuali incentivi attualmente disponibili per il nucleo familiare.

Il costo totale con l'installazione solare

L'API Solar calcola il costo totale di 20 anni di una configurazione solare utilizzando la seguente formula:

totalCostWithSolar = installationCost + remainingLifetimeUtilityBill - incentives

Il risparmio totale

L'API Solar calcola il risparmio per il nucleo familiare utilizzando la seguente formula:

savings = costOfElectricityWithoutSolar - totalCostWithSolar

L'API Solar esegue i calcoli precedenti per ogni possibile dimensione dell'impianto e consiglia quella che offre il risparmio massimo per il nucleo familiare. L'importo del risparmio stimato viene riportato insieme al consiglio.