海洋保护区（MPA）哨所微规模 PV-电池-柴油多联供系统技术-运行评估：优先调度、灵活 RO 与直接柴油 CO2 减排

《Results in Engineering》：Techno-Operational Assessment of a Micro-Scale PV-Battery-Diesel Polygeneration System for a Marine Protected Area (MPA) Guardhouse

　　

海洋保护区（Marine Protected Area, MPA）哨所的微规模光伏（photovoltaic, PV）-电池-柴油多联供（polygeneration）系统技术-运行评估。优先调度满足全部 222.285 kWh/年关键需求。M0 模型实现 89.02% 总发电可再生占比与 99.13% 基于能量的可靠性（energy-based reliability）。M0 提供 35.224 m³/年水和 547.5 kWh_th/年制冷。与匹配的纯柴油参考相比，直接柴油 CO₂ 下降 92.07%。灵活反渗透（reverse osmosis, RO）调度使柴油弃能相对 M0 降低 73.29%。

研究人员针对偏远岛屿与海洋保护区（Marine Protected Area, MPA）哨所在可靠可持续能源、淡水与制冷服务方面的复合需求，指出柴油发电机虽可调度且常见，但燃料价格波动、海运、维护和温室气体排放代价大；MPA 哨所又要求低环境扰动。既有 PV-电池-柴油离网系统和智能控制研究多聚焦电，而该 MPA 哨所的微规模、离网、PV-电池-柴油多联供（polygeneration），联合优先电气服务、制冷与灵活 RO 淡水生产，在 8,760 h 运行要求下的集成评估仍不足。因此研究人员开展技术-运行案例评估。研究人员以菲律宾 Cebu Olango Island San Vicente 的 MPA guardhouse 为案例来源，建模为五人全离网设施；使用 NASA POWER 2025 年 Local Solar Time 小时 ALLSKY_SFC_SW_DWN 和 T2M；设计负荷 587.285 kWh/年（1.609 kWh/天，均值 0.06704 kW，峰值 0.170 kW），包括闭路电视（CCTV）20 W 连续、照明 18 W 17:00-20:00、手机充电 25 W 12:00-15:00、制冷 25 W duty-equivalent、RO 100 L/天且 4 kWh/m³。HOMER Pro 选型得到 0.5 kW PV、0.5 kW 柴油发电机（diesel generator, DG）、2 个 1 kWh 铅酸电池（2.0016 kWh nominal）、1.0 kW converter；MATLAB R2025a 独立 8,760 h 优先级调度：关键>制冷>RO，DG 仅在残余关键或制冷需求时启动，剩余可服务待处理 RO，之后为 dumped diesel。M0 为基线；M1 为剩余充电；M2A 为 0.25 kW DG；M2B 为 10% 最小负载；M3 为灵活 RO；并与 diesel-only reference 和 HOMER-MATLAB 基准比较；敏感性涉及负载、燃料价、电池成本。结论/意义：M0 服务关键 222.285 和制冷 219.000 kWh/年，RO 140.895/146.000，产水 35.224 m³/年，冷却 547.5 kWh_th/年，可靠 99.131%，总发电可再生 89.022%；相对 diesel-only 直接柴油 CO₂ 降 92.07%；但存在 60.899 kWh/年 dumped diesel；M3 降 dumped 73.29% 且提高可靠；经济净现值成本（net present cost, NPC）为 $3,169.42，平准化度电成本（levelized cost of energy, LCOE）为 $0.41746/kWh；支持可再生主导多服务概念，非社区尺度推广。

关键技术方法不超过 250 字：以 San Vicente, Olango Island, Cebu, Philippines 的 MPA guardhouse 为案例来源；采用 NASA POWER 2025 年 Local Solar Time 小时 ALLSKY_SFC_SW_DWN 与 T2M；构造 8,760 h 设计电负荷；用 HOMER Pro 进行组件容量与生命周期成本优化；将 0.5 kW PV、0.5 kW DG、2.0016 kWh 电池、1.0 kW converter 转入 MATLAB R2025a；实施小时级优先级调度、最小负载、燃料曲线、荷电状态（state of charge, SOC）和变换器约束；设置 M0-M3 诊断与 diesel-only reference；进行内部能量平衡与 HOMER-MATLAB 年度基准；对负载、燃料价格、电池成本作单因素敏感性分析。

3.1 可再生资源可用性与 PV 输出：代表周 PV 跟随全球水平辐照度（global horizontal irradiance, GHI），低于 0.5 kW；MATLAB 年 PV 724.741 kWh，比 HOMER 726.922 kWh 低 0.30%；日间集中使储能必要。

3.2 混合系统调度行为：平均 0.06704 kW，峰值 0.170 kW；0.125 kW 最小输出为平均需求 186.45%；M0 DG 运行 715 h/年，发电 89.375 kWh，均 0.125 kW；0.376 kWh 剩余供待处理 RO，60.899 kWh dumped，占 DG 产出 68.139%；路由剩余不能消除发电机-负载不匹配。

3.3 电池运行：SOC 在 40-100%；输入 279.624 kWh DC，释放 250.534 kWh，等效 125.17 满放；平均 SOC 72.054%，结束 78.483%，净减 0.431 kWh；未模拟退化/寿命。

3.4 可靠性与未服务能量：M0 未服务 5.105 kWh/年全在计划 RO，可靠 99.131%，关键/制冷 100%；M3 未服务 0.058，可靠 99.990%；11 和 2 月缺口最大，4 月无；因 PV 季节、60% RO reserve、DG 不单独为 RO 启动。

3.5 生产性负载性能：制冷全年 219.000 kWh 全额服务；计划 RO 获 140.895/146.000，缺口全在 RO；源资格区分连续敏感与可转移服务。

3.6 水生产性能：M0 产水 35.224 m³/年（96.50% 的 36.5 m³ 目标），M3 为 36.485（99.96%）；基于 4 kWh/m³，非验证饮用水。

3.7 月度电能平衡：M0 PV 724.741，弃 PV 86.354，DG 89.375，dumped DG 60.899；最大小时残差 4.44×10^?16，年残差 -6.87×10^?13；弃 PV 与 dumped DG 成因不同。

3.8 年度综合、环境比较与部署含义：M0 服务 582.180，未服务 5.105，需求 587.285；关键/制冷/RO 服务 222.285/219.000/140.895；燃料 36.197 L/年，直接 CO₂ 97.008 kg/年；DG 715 h/89 starts；HOMER-comparable RF 84.648%，总发电可再生 89.022%，可靠 99.131%。Diesel-only 为 456.429 L/年，1,223.229 kg CO₂/年，8,760 h；避免 420.232 L 和 1,126.222 kg（1.126 t）CO₂，降 92.07%；燃料强度 0.0622 vs 0.7772 L/kWh，CO₂ 强度 0.1666 vs 2.0829 kg/kWh，降 92.00%。讨论上游负担、电池回收、腐蚀、RO 盐水，部署分层、防腐、通风、燃料维护、RO 预处理、水质监测、培训、防台风；非完整生命周期优势。

3.9 规模合理性、跨模型基准与控制权衡：0.5 kW PV 和 DG 各为峰值 2.94 倍；电池 2.0016 kWh nominal，1.201 kWh accessible，占日均需求 74.6%；PV 年产量 123.4%（MATLAB）/123.8%（HOMER）需求。HOMER H0 vs MATLAB M0：PV 726.922 vs 724.741（-0.30%）；DG 43.625 vs 89.375（+104.87%）；发电机 349 vs 715 h，燃料 17.668 vs 36.197 L，未服务 0 vs 5.105，可靠 100 vs 99.131，RF 92.572 vs 84.648，总发电可再生 94.338 vs 89.022。差异来自控制器/简化电池。M1 减排 dumped 46.35%，燃料 -26.85%，启动 89->238，电池吞吐 125.17->131.36。M2A 0.25 kW、25% min，燃料 18.102，dumped 16.450，降 72.99%，可靠 99.092/RO 96.348。M2B 10% min，燃料 21.643，dumped 7.867，降 87.08%，可靠 99.084/RO 96.314。M3 燃料 24.908，dumped 16.264，降 73.29%，可靠 99.990/RO 99.960，供 RO 145.942 kWh/年，产水 36.485 m³/年，启动 89->69。M3 为保留组件下最强推荐，需水箱、储备规则、验证。

3.10 HOMER 经济与敏感性：基线 NPC $3,169.42，LCOE $0.41746/kWh，年运营 $82.72；PV+电池 $2,245.06=70.84% NPC；电池替换 $555.05，DG 燃料 $228.41，converter $403.33。前四配置：2 batteries/Load Following（LF）NPC 3,169.42、LCOE 0.41746、RF 92.57、燃料 17.67；3 batteries/LF 3,195.17、0.42085、95.27、11.24；2/CC 3,209.09、0.42269、88.02、22.45；3/CC 3,239.07、0.42663、91.44、15.72。敏感性 NPC 2,808.93-3,745.80，LCOE 0.39636-0.46247；-20% 负载 NPC -11.37%，燃料 -72.49%，LCOE +10.78%；+20% 选三电池/CC，NPC +18.19%，RF -10.64 个百分点，燃料 +124.29% 到 39.63 L；燃料和电池价格 ±20% 不改变架构；电池成本 ±20% 使 NPC/LCOE ±5.06%。负载增长影响大于价格。

3.11 研究局限：单一年 2025，设计负荷非实测；MATLAB GHI proxy、单储电池，HOMER plane-of-array、kinetic 电池；未模拟年际、PV 退化、电池老化、DG 瞬态、制冷温度、RO 污堵、海岸腐蚀；无循环终 SOC；验证仅内部和年度基准，无现场；水/冷基于交付电，未模拟水质、储罐、温度、保存；环境仅直接柴油 CO₂；特定五人员 MPA，不推广。

讨论部分指出 M0 可再生主导但最小负载惩罚显著；灵活需求、发电机匹配、低负载能力、剩余充电可减少 dumped diesel；直接运营 CO₂ 优势明确，但非完整生命周期环境优势；部署需阶段化保护关键负载，水箱缓冲，防腐等。

研究结论部分翻译：该研究评估 HOMER Pro 选择的 0.5 kW PV、2.0016 kWh nominal 铅酸电池、0.5 kW DG、1.0 kW converter，用于五人 MPA guardhouse。模型电需求 587.285 kWh/年，均值 0.06704 kW，峰值 0.170 kW；组件虽小，但与 1.609 kWh/天服务边界相称。使用相同 8,760 h 匹配负载和额定，HOMER 预测 PV 726.922 kWh/年、DG 43.625 kWh/年、燃料 17.668 L/年、零未服务；MATLAB M0 为 PV 724.741 kWh/年、DG 89.375 kWh/年、燃料 36.197 L/年、RO 未服务 5.105 kWh/年。MATLAB PV 仅低 0.30%，但其 DG 发电和燃料高 104.87%。因此基准显示 PV 高度一致，同时揭示控制器与电池表征差异；M0 应解释为独立运行评估，而非逐点 HOMER 复现或现场验证。M0 服务全部 222.285 kWh/年关键需求和 219.000 kWh/年制冷需求；RO 服务 140.895/146.000 kWh/年，全部 5.105 kWh/年缺口在灵活水生产服务；RO 服务对应 35.224 m³/年淡水生产，制冷提供 547.500 kWh_th/年有用冷却；基于能量可靠性 99.131%，总发电可再生 89.022%。M0 主要弱点是 60.899 kWh/年 dumped diesel，占发电机产出 68.139%。M1 通过剩余充电降低 dumping，但增加启动和电池使用。M2A 和 M2B 表明更接近发电机-负载匹配和更低最小输出可进一步减少 dumping，但为诊断案例而非验证设备替代。M3 灵活调度日 RO 目标，相对 M0 将 dumped diesel 降 73.29%，柴油燃料、发电和运行小时降 31.19%，RO 年缺口从 5.105 降至 0.058 kWh，可靠升至 99.990%；在保留选定组件评优中，M3 提供最强整体运行改进，实施需合适淡水储存、储水储备策略、控制器和水系统验证。M0 消耗 36.197 L/年柴油并排放 97.008 kg CO₂/年；匹配 diesel-only reference 消耗 456.429 L/年并排放 1,223.229 kg CO₂/年；混合系统每年避免 420.232 L 燃料和 1,126.222 kg（1.126 t）直接 CO₂，降幅 92.07%。量化环境比较仅限直接柴油燃烧，不含隐含影响、其他空气污染物、噪声、燃料泄漏风险、组件处置、RO 盐水和化学品管理。选定两电池 LF 配置 NPC 为 $3,169.42，LCOE 为 $0.41746/kWh，年运营成本 $82.72/年，在四个最接近可行 HOMER 配置中 NPC 最低。增加第三电池 LF 仅使 NPC 增 0.81%，但燃料降 36.39%，可再生分数增 2.70 个百分点，表明改善燃料和可再生表现有适度生命周期成本溢价。六项单因素敏感性中 NPC 为 $2,808.93-$3,745.80，LCOE 为 $0.39636-$0.46247/kWh。负载降 20% 使 NPC 降 11.37%，但 LCOE 增 10.78%；负载增 20% 选择三电池和 Cycle Charging，NPC 增 18.19%；柴油和电池价格 ±20% 未改变两电池 LF 架构。结果表明负载增长对系统选择影响大于所评估燃料和电池价格变化。总体上，发现支持面向模型五人 guardhouse 的可再生主导多服务能源概念，而非通用社区尺度设计；扩展需新的小时负载评估、组件重选和调度再优化，部署还需当前供应商报价和交付燃料成本、海岸腐蚀与台风防护、电池安全、发电机维护、RO 预处理和备件、淡水储存与水质测试、操作员培训以及硬件在环或现场验证。