MENA地区清洁能源与淡水生产的4E综合评估：基于双高性能太阳能光伏技术的能源-?-经济-环境分析

为解决中东和北非地区能源短缺与水资源匮乏问题，研究人员开展了一项针对双轴跟踪光伏(DPV)与聚光光伏(CPV)技术的4E(能源-?-经济-环境)对比研究。结果表明，DPV系统在发电量(最高2909.63 MWh)、容量因子(0.2568)和经济性(LCOE 4.296 c$/kWh)方面优势显著，而CPV虽具更高能效(0.2213)但受限于直射光依赖。该研究为区域可再生能源与海水淡化协同优化提供了关键数据支撑。

　　

在全球能源转型与水资源危机交织的背景下，中东和北非(MENA)地区面临双重挑战：一方面该区域拥有全球最丰富的太阳能资源（如也门萨那年辐射量达2944 kWh/m²），另一方面却是世界最缺水地区（人均可再生水资源从1970年1752 m³骤降至2025年预计551 m³）。传统化石燃料驱动的海水淡化虽缓解用水压力，却加剧碳排放（如科威特电网碳强度达557 gCO₂/kWh）。如何通过高性能太阳能光伏(HPSPV)技术同步解决能源与水资源问题，成为区域可持续发展的关键课题。

研究人员通过系统建模软件(SAM)对1 MW聚光光伏(CPV)和双轴跟踪单晶硅(DPV)系统进行小时级仿真，覆盖21个MENA城市。研究创新性地采用4E分析框架——能源(Energy)、?(Exergy)、经济(Economic)和环境(Environmental)维度，并首次将两种光伏技术与反渗透(RO)海水淡化耦合评估。

关键技术方法包括：基于Meteonorm气象数据库获取各地太阳辐射与温度数据；建立光伏阵列电流-电压模型计算模块功率；采用?效率公式评估能量品质损失；构建平准化水电成本(LCOW)模型分析不同RO能耗(2.5-4 kWh/m³)下的水生产成本；结合各国电网碳强度数据量化减排潜力。

能源性能
DPV系统年发电量普遍高于CPV，如摩洛哥瓦尔扎扎特DPV产电2909.63 MWh，较CPV提高19.5%。这归因于DPV能同时利用直射和散射光，而CPV仅依赖直射光。尽管CPV在瓦尔扎扎特展现更高能量效率(0.2213 vs DPV 0.1394)，但其容量因子(0.1467)显著低于DPV(0.2568)，反映实际运营中的局限性。

?性能
CPV系统?效率(0.2225)仍优于DPV(0.1401)，证实其光学聚光能更好保持能量品质。但高温导致的?损（如沙特利雅得环境温度达25.6°C）对两种系统均有影响，提示需优化热管理设计。

经济性分析
DPV平均LCOE(4.296 c/kWh)仅为CPV(9.36c/kWh)的46%。敏感性分析显示，仅当CPV资本支出(CAPEX)降至DPV的50%时，其在部分城市（如瓦尔扎扎特）才具成本优势。DPV驱动的RO系统LCOW最低达0.1253 /m³，较CPV系统(最高0.6710/m³)更具经济可行性。

环境效益
DPV年均碳减排量(969.1 t CO₂eq)比CPV(691.7 t)高出40%，在约旦安曼等电网碳强度高的地区效益尤为显著。

这项发表于《Desalination》的研究为MENA地区能源-水纽带管理提供了重要决策依据：DPV技术凭借更高的可靠性、更低的水电成本和更显著的减排效果，应作为区域清洁能源与海水淡化协同发展的优先选择。研究同时指出，CPV技术若能在光学效率提升和成本控制方面取得突破，仍具发展潜力。该成果对全球其他太阳能资源丰富但水资源紧张地区（如北非、澳大利亚内陆）的可持续发展规划具有借鉴价值，并为国际可再生能源机构(IRENA)提出的2030年全球光伏装机目标提供了区域性实施路径。