原文标题：Solar and battery can reduce energy costs and provide affordable outage backup for US households
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01821-w
原文译名：太阳能和电池可为美国家庭降低能源成本并提供经济性的断电备用方案
期刊名称：Nature Energy
2025年影响因子：60.1
中科院分区/JCR分区：一区TOP/Q1
发表年月：2025年6月
作者信息：Tao Sun, Yuanhao Feng, Chad Zanocco, June Flora, Arun Majumdar & Ram Rajagopal
Abstract
随着极端天气事件日益频发和电网基础设施逐渐老化，电力供应可靠性面临严峻挑战。在此背景下，分布式能源系统逐渐成为提升家庭能源可负担性与供电韧性的重要路径。本研究基于对美国50万余户家庭的综合评估，系统分析了太阳能-电池系统的经济性与备用电源可行性。结果显示，约60%的家庭可通过安装该系统降低电费支出，平均节省幅度达15%；同时，63%的家庭能够在停电期间获得经济可行的备用电力支持，平均可满足51%的基本用电需求。然而，上述效益与能源需求最为迫切的地区之间存在明显空间错位，尤其是在停电高风险区域，系统覆盖率显著不足。太阳能-电池系统的应用可行性存在明显的区域与社群差异，人口稀少地区及弱势社区在多项可行性指标上普遍偏低。结果表明，亟需通过更有针对性的政策干预，以保障不同群体能够公平获取分布式能源效益，特别是在当前各州逐步从净计量电价政策转向新型电价机制的关键转型阶段。
Main
电力是现代生活基石，其可靠性和可负担性对人类至关重要，但美国正面临老化基础设施与气候变化引发的极端天气两大挑战，推高能源成本且加剧停电影响，尤其危及弱势群体。家庭分布式能源系统（如太阳能光伏与电池系统）能提供清洁能源、备用电源并可能降低用电成本，却受政策和当地条件影响，美国部分州正以净结算费率取代净计量，需结合家庭用电模式评估可行性并重视储能电池作用。以往相关研究存在聚焦范围窄、忽略储能或财务考量、缺乏区域与人群匹配及公平性关注等不足，且难捕捉新兴可行性趋势。本研究通过高分辨率全国评估分析50 多万美国家庭相关系统可行性，引入经济与备用可行性指标，发现多数家庭能获益但效益与需求区域错位，弱势群体更难获取技术，且指标可为政策决策提供依据。
Results
- Solar–battery systems reduce household electricity costs
此研究通过评估美国大量家庭数据，分析了太阳能-电池系统的经济可行性。其核心在于判断家庭能否通过安装光伏、电池、组合系统降低总电力成本，即年度电费减少额是否超过系统年化成本。分析采用“家庭最优经济方案”场景，以最大化节省为目标，并将家庭分类为“经济最优光伏家庭”和“经济最优蓄电池家庭”。图1a 显示，在净计量政策（NBT）下，全国60.3%的家庭具有经济可行性，其中绝大多数（60.0%）为光伏家庭，16.8%为电池家庭。图1b-e 表明绝对数量集中于人口大州，而图1f 揭示某些小州的比例更高。图2的县级分析进一步展示了同一州内及县家庭间的显著差异性。与净电量计量政策（NEM）的对比凸显了政策的关键影响。NEM虽带来更高的可行性（81.1%）和光伏家庭比例（79.5%），但因高额输出补偿严重削弱了电池的经济性，使其比例骤降至3.4%。尽管NBT下多数家庭能节省电费，但节省幅度分布不均；图3 的互补累积分布（CCD）曲线表明大多数家庭节省适度，仅11.5%的家庭节省超过25%，全体家庭的电费加权平均节省额为14.7%，远低于NEM政策下的43.6%，再次证明了电价政策对用户节省潜力的决定性作用。
图 1. 净计费电价下经济上可行的家庭
图 2. 净计量电价下县域经济最优光伏家庭与经济最优蓄电池家庭分布格局
图 3. 全国范围内净计量费率政策下各家庭电费减免的分布情况
- Solar–battery systems provide affordable outage backup
在评估太阳能-电池系统经济可行性的基础上，此研究进一步探讨了其在电网停电期间作为备用电源的可行性。不仅考虑了家庭面临的潜在停电场景，还引入了停电损失价值（VoLL）以量化供电中断的经济影响，并假定仅安装光伏的家庭通过专用逆变器也能在日间维持部分供电。评估基于“家庭最优备用方案”进行，旨在最大化关键用电备份能力的同时严格保持总电力成本不增加。结果表明，在NBT下，62.7%的美国家庭具有备用电源可行性（图4a）。其中，61%的家庭被归类为“备用最优光伏家庭”，40.4%为“备用最优电池家庭”，38.7%同时属于两类。与图4b-e所展示的经济可行性地理分布相比，备用最优光伏家庭分布集中度相似，而备用最优电池家庭的分布则更为广泛，且在州和县级层面的普及率均高于经济最优电池家庭。所有经济可行的家庭都自然具备备用可行性，但其系统的备份能力可能逊于专门针对停电优化的系统。
图 4. 净计费电价下的后备可行家庭
图 5 中的 CCD 与图 3 中的成本降低类似，说明了在 NBT 下的家庭级备份能力。揭示了NBT下家庭层级备份性能的异质性，42%的家庭能实现超过50%的关键用电备份，所有家庭的关键能源需求加权平均备份比例达到50.5%。尽管该数值显著低于NEM政策下的71%，但充分证明即使在净计费政策削弱经济激励的情况下，太阳能-电池系统依然能为大多数家庭提供有意义的停电保护。
图 5. 净计量电价下全国家庭关键用电备份的分布情况
- Evaluating household access to solar–battery systems
在评估太阳能-电池系统的经济可行性和备用电源可行性基础上，本研究进一步结合电费负担和停电风险两个维度，综合分析全美各州家庭获取该系统的机会。在NBT下开展的州级评估通过为每个州分别构建电费削减和关键用电备份的互补累积分布（CCD）（图6），完善了全国层面的评估（图3和图5）。研究发现，成本削减曲线呈现陡降特征，而备份曲线下降更为平缓。各州数据显示显著差异，例如德克萨斯州家庭实现9.5%的平均成本削减和68.1%的备份比例，而田纳西州仅分别为4.8%和21.4%。研究揭示太阳能-电池系统的效益与实际需求存在明显错配，尤其在备用可行性方面更为突出，凸显针对性政策干预的必要性。整合这些维度可以全面了解家庭获取太阳能-电池系统的情况，具体揭示这些系统如何在不同地区和群体中提升能源可负担性和韧性。
图 6. 在净结算电价下，按电力负担和停电风险分层的州级太阳能-蓄电池普及情况
- Distributional equity in solar–battery access
此研究在评估太阳能-电池系统经济可行性与备用可行性的基础上，进一步分析了其效益分配的公平性。通过对美国51万余户家庭进行回归分析（图7），研究发现系统效益在不同家庭和社区间存在显著不平等。在家庭层面，较高的用电需求和高峰用电特征与所有六项可行性指标的提升相关，但这些用电模式往往由难以改变的社会经济因素决定，反而可能加剧既有差距。在社区层面，人口密集、太阳能资源丰富、社会经济优势明显及实施分时电价的地区更易获得系统效益。这表明太阳能-电池系统的普及不仅未能缓解可再生能源获取的历史不平等问题，反而可能强化现有差距，这一公平性挑战在NEM和NET政策情景下同样存在。
图 7. 基于家庭与县级特征的净结算电价下家庭太阳能蓄电池获取情况回归分析
- Economic and back-up viability for electricity policymaking
本研究基于经济与备用可行性指标，评估了从净电量计量转向净计费政策对太阳能-电池系统普及的影响。图8显示，政策转变的效果存在显著地域差异。加利福尼亚、内华达和佛罗里达等州在电费削减率仅小幅下降的同时，其余关键指标均保持稳定或改善，且经济最优电池家庭比例大幅上升，表明净计费政策更能有效促进光储整合；而爱荷华、爱达荷和华盛顿等州的多项可行性指标则出现大幅下滑。结果表明，取消净电量计量政策在某些地区影响较小，但在另一些地区会显著削弱系统可及性，强调政策调整需充分考虑区域差异目标。此外，净计费政策还为电力公司带来了更高收入，增强了其财务可持续性。
Discussion
本研究显示，在美国净电量结算（NBT）政策下，多数家庭可采用光伏-蓄电池系统实现电费节约与备用电力保障：60.3%的家庭能够降低用电成本，62.7%可获得经济可靠的备用电源。平均每户电费降幅达14.7%，或在停电时满足约50.5%的基本用电需求，凸显出该系统在提升家庭能源经济性与供电韧性方面的重要潜力。然而，系统在经济和备用电力可行性方面均呈现明显地域差异。经济可行性与电费负担呈正相关，而备用电力可行性在停电高风险区普遍不足，表明这些地区的家庭难以借此类系统实现高效益备份供电。随着气候变化加剧停电风险，该问题尤为迫切，需通过有针对性的政策干预加以应对。
本研究通过大规模精细化评估，综合分布式能源技术经济性、系统韧性效益、家庭用电负担及电网可靠性等多方面因素，系统识别了光伏-蓄电池系统的适用区域及其效益匹配程度，为分布式能源部署、能源韧性及社会公平等交叉领域的研究提供了基础。研究还表明，弱势社区和人口稀少地区在各类政策情景（NBT、NEM、NET）下均持续表现出较低的可行性，与历史上太阳能采纳率较低的现象一致，存在进一步扩大能源公平差距的风险。需通过定向激励、融资机制和社区级部署计划促进更公平的效益分配。方法上，本研究采用自下而上的家庭级异质性分析，提供了较传统聚合方法更精细的见解。所提出的“经济可行性”和“备用可行性”指标兼具广泛适用性与政策参考价值，可用于指导电价改革、补贴设计、贷款计划、能源教育及基础设施规划等决策。
未来研究可拓展至本文未涵盖的分布式能源效益维度，纳入技术与市场动态变化，采用更高效建模方法扩大分析规模，并借助隐私保护框架加强与电力部门的数据合作。进一步将研究范围扩展至工商业部门，探索社区级储能和资源协调等方案，有望共同推动更公平、韧性、可持续的能源系统建设。
