大型集会场所光伏集成的技术经济与环境分析：沙特阿拉伯米纳案例研究

《Energy for Sustainable Development》：Techno-economic and environmental analysis of photovoltaic integration for large congregation sites: A case study in Mina, Saudi Arabia

　　

•提出了一种用于米纳帐篷屋顶的公用事业级双面光伏系统。
•使用 SAM（系统顾问模型）评估了四种固定式和跟踪式光伏配置。
•与固定倾角相比，跟踪系统可将年发电量提高最多 30%。
•在米纳部署光伏系统在项目寿命期内可避免排放多达 2 百万吨二氧化碳。
•固定倾角和水平单轴跟踪（HSAT）是帐篷屋顶部署最现实的近期选择。

引言
能源部门面临电力需求的急剧增加，其中大部分仍由传统方式如化石燃料产生。此类方法排放的温室气体强调了减少对环境影响的清洁和可持续能源的需求。全球大气研究排放数据库（EDGAR）报告称，2023 年全球温室气体排放量达到了 53 十亿吨二氧化碳当量（Crippa et al., 2024）。另一方面，预计从 2025 年到 2027 年，全球电力需求将达到 3500 太瓦时（IEA, 2025）。在国家层面上，沙特阿拉伯的电力消耗比上年增加了 2.8%，2024 年达到 363 太瓦时（Enerdata, 2025）。此外，预计居民电力消耗到 2060 年将上升至 274.3 太瓦时，与 2021 年相比增加了 92%（Aldubyan, 2025）。因此，如果没有大规模扩展可再生能源发电，王国可能面临难以履行减排承诺的挑战。

根据“2030 愿景”，沙特阿拉伯旨在到 2030 年从可再生能源中获取其 50% 的电力，作为其能源转型战略的一部分。光伏电力系统是满足该国增加发电量和降低温室气体要求的一个有前途的解决方案。该国从可再生能源中发电 4743 兆瓦，其中大约 90% 由光伏太阳能植物产生（IRENA, 2025）。沙特阿拉伯在全球太阳能发电潜力方面排名第六（Suliman, 2024）。如图 1 所示的沙特阿拉伯太阳能资源地图突出了太阳能潜力最高的地区。该地图表明，沙特阿拉伯可以通过在全国范围内扩展光伏电站来实现其能源转型战略。

现在没有比麦加米纳（米纳帐篷城（朝觐）—麦加在麦加—欢迎沙特，无日期）更剧烈的季节性需求压力了，那里每年在朝觐期间用永久安装的帐篷接待近两百万朝圣者。在这些帐篷中，电气线路、照明和安全系统整齐地集成在钢框架内。此外，帐篷的结构由热浸镀锌钢框架组成，支撑着高性能聚四氟乙烯（PTFE）涂层玻璃纤维墙，以提供强度、耐候性和防火安全（Mohamed et al., 2020; Shehata & Elzawahry, 2016）。帐篷配备了蒸发冷却机组，以维持舒适的室内环境（米纳帐篷城选择 Breezair - Breezair, 无日期；Aljuhani & Dayem, 2022）。尽管帐篷每年只占用几天，但基础设施全年保持原状并持续维护。从电力角度来看，结果是电力需求出现短暂而剧烈的峰值，集中在一个小区域和短时间窗口内。2010 年至 2025 年十五年的报告电力负荷值显示，电力需求预计会增加，如图 2 所示。沙特电力公司宣布，米纳在宰牲节当天记录了 351 兆瓦，2025 年比上年增加了 5.5%（沙特通讯社，2025a）。这些电力负荷通过高压线路从传统发电厂传输到米纳，这带来了巨大的季节性压力和损失。此外，随着气温上升和朝圣者人数增加，米纳的能源问题变得更加紧迫，因为空调占大多数电力需求（Aljuhani & Dayem, 2022; Alnoosani et al., 2019; Bassi et al., 2019; Faqeha et al., 2018）。朝觐期间电力负荷和运输需求的增加导致了更高的二氧化碳排放（Farahat et al., 2021; Raihan et al., 2025）。解决这些挑战的一个有前途的方案是太阳能光伏系统，这是一个合乎逻辑的选择，因为王国的太阳能资源非常丰富，并且冷却负荷与阳光可用的白天时段一致，而且光伏变得更便宜和更坚固。沙特阿拉伯的"2030 愿景”通过强调多元化能源来源和改善环境推动了这一讨论（沙特阿拉伯王国，2016 年）。

为了评估光伏发电解决此类需求的潜力，几项研究调查了沙特阿拉伯的并网光伏系统。Alghamdi 等人（2023）表明，延布（Yanbu）的并网光伏系统可以提供约 850 兆瓦时的年发电量。Alabdali 和 Nahhas 表明，延布和拉比格（Rabigh）的双轴跟踪光伏系统可产生多达 500 太瓦时的电力（Alabdali & Nahhas, 2021）。Alkahtani 等人指出，利雅得的 400 兆瓦并网光伏电站每年可产生约 872 吉瓦时电力，性能比为 87%（Alkahtani et al., 2024）。Saeed 等人模拟了利雅得、麦加和比沙（Bisha）三个大坝上的 1 兆瓦并网浮动电站（Saeed et al., 2024）。结果表明，浮动光伏系统表明在考虑的地点能量产生在 2000 至 2300 兆瓦时/年之间，平均性能比为 84%。这些研究证实了并网光伏系统的强大潜力，其中其在具有高度季节性和集中电力需求的地点的适用性仍未得到充分探索。

在使用清洁能源解决方案缓解米纳高能源需求的策略方面所做的工作有限。例如，Alnoosani 等人（2019）为米纳帐篷设计了并网光伏，并估计提议的系统可以在朝觐期间削减很大一部分峰值功率，同时减少柴油消耗和排放。在此基础上，一项案例研究模拟了大型米纳帐篷的太阳能驱动冷却，使用太阳能集热器、吸收式冷水机组、冷冻水存储和光伏电力辅助；作者发现，适当规模的混合系统可以在白天将室内温度保持在舒适范围内，几乎没有或没有电网抽取（Aljuhani & Dayem, 2022）。Bassi 等人（2019）通过比较光伏、电池和柴油配置，调查了米纳的可再生能源整合。该研究确定并网光伏 - 柴油 - 电池混合是最具成本效益和环境效益的选择，即使在离网条件下也显著减少了柴油运行时间和排放。总体而言，这些研究表明，当设计与存储和仔细控制相结合时，光伏和太阳能热冷却对于米纳的帐篷都是技术上合理的。

在过去二十年中，光伏技术取得了相当大的进步，并在公用事业规模系统中实施了几项设计改进，以最大化能量收益。例如，光伏模块的最佳倾角可能因季节和地点而异，这强烈影响太阳能电池板的发电量。系统跟踪是光伏技术的一项进步，其中光伏模块在一天中跟踪太阳的路径以增强太阳能的捕获。据报道，单轴和双轴跟踪系统可以将电力生产提高 20–45%（Sadeghi et al., 2025）。最近对光伏跟踪系统的可解释机器学习分析进一步表明，跟踪配置的性能优势主要由辐照度捕获增益驱动，而固定式、单轴和双轴系统之间的热效率损失相对相似（Almalki, 2026）。在反射地面上安装双面光伏模块，通过使用反射材料将反照率（定义为表面反射的入射太阳辐射分数）提高到约 0.5，可以将电力生产提高多达 30%（Yakubu et al., 2024）。

除了这些技术改进外，许多研究人员还调查了炎热和干旱气候下恶劣环境条件的影响，以提出解决方案和缓解策略。运行温度对光伏输出的影响是一个主要影响因素，即随着模块温度升高，光伏电池电压和效率下降；这已有充分记录并可通过常见的温度系数进行量化（Kazem & Chaichan, 2016）。在光伏公用事业规模测试条件（PTC）和标准测试条件（STC）下的光伏性能比较分析显示，将模块温度从 25 升至 45°C 使其效率降低了 89.8 ± 1.7%（Bamisile et al., 2025）。

灰尘污染是沙漠站点存在的另一个主要问题，报告的损失高达 80%，具体取决于颗粒大小和类型、风速和地点（Alshareef, 2023）。其他因素如灰尘和沙子积累、水滴和鸟粪可以减少模块表面的透过率，分别将输出功率降低 8.8%、5.9% 和 7.4%（Mustafa et al., 2020）。实验测量显示，如果在一周、三周和五周后不应用清洁过程，沙漠气候中光伏面板发电的灰尘污染损失分别为 4.8% 18.1%，和 38.1%（Siyabi et al., 2021）。已提出缓解选项，包括更好的倾角以自清洁（Xu et al., 2017），疏水或防污涂层（Hossain et al., 2022），甚至用于可访问行的简单机器人刷子（Parrott et al., 2018）。

尽管有限的研究解决了米纳的光伏相关应用（Aljuhani & Dayem, 2022; Alnoosani et al., 2019; Bassi et al., 2019），但这些调查没有评估具有跟踪配置的大型双面光伏模块部署。此外，此类系统在整个项目寿命期的技术经济和环境绩效尚未量化。本研究通过可持续利用现有的政府拥有基础设施来安装光伏阵列来解决这一差距。此外，沙特当局最近在米纳的步道上应用的反射涂层（沙特快报，2023 年），加上帐篷的白色表面，可能会增加表面反照率，代表着该站点以前研究中未考虑到的额外机会。

因此，本研究的目的是评估集成在米纳帐篷屋顶上的大型双面光伏系统的技术、经济和环境绩效。该评估在年发电量、寿命财务可行性和二氧化碳减排方面比较了固定倾角、单轴和双轴跟踪配置。拟议系统旨在全年运行，通过在朝觐期间供应米纳的部分电力需求并在其余时间将多余的电力输送到国家电网。通过改变地面反照率并评估其对平准化度电成本的影响来调查反射涂层的效果。

章节片段
方法论
本研究的方法论包括米纳站点和拟议系统布局的描述、光伏模块和逆变器的规格、模拟设置和系统配置，以及评估中使用的性能、经济和环境指标，如下面的小节约所示。本研究中部署的技术经济和环境评估的总体工作流程如图 3 所示。

结果与讨论
从技术和经济角度讨论了米纳拟议光伏系统的结果。第一部分侧重于系统性能和全年能量产生。第二部分讨论能量流动和系统损失对系统效率的影响。第三部分使用主要财务指标评估拟议系统的经济可行性，包括平准化度电成本（LCOE）、内部收益率（IRR）和回本期。最后一部分

结论
本研究调查了在米纳大型帐篷营地上集成光伏系统，使用 SAM 评估固定倾角、单轴 HSAT、单轴 TSAT 和双轴跟踪系统的性能。结果表明，拟议系统在米纳当地气候下在技术、经济和环境方面都是有前途的。固定倾角系统的年能量收益估计约为 1950 kWh/kW，单轴 HSAT 为 2116 kWh/kW，

CRediT 作者贡献声明
奈伊夫·阿尔马尔基：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，软件，项目管理，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能会影响本论文报告的工作。
奈伊夫·阿尔马尔基