一种基于能量流的新型方法，用于评估太阳能光热与光伏系统的长期性能

《Renewable Energy》：A novel energy flow-based approach for long-term performance evaluation of solar photothermal and photovoltaic systems

　　周勇|梁世立|潘佳美|张志豪|刘岩峰|宋金兆
中国西安建筑科技大学管理学院，西安雁塔路13号，710055

摘要
现有的太阳能光热光伏系统评估方法面临两大难题：基于仿真的“预评估”方法与实际结果存在较大偏差，而依赖实物测试的“后评估”方法则需要较长的评估时间。因此，本文基于系统的能量流，分析了其在典型条件下的年均性能，并提出了一种针对不同气象条件下运行性能的修正方法。为契合中国的零碳建筑发展目标，本研究以全生命周期碳减排效应作为核心评估维度，选取碳保留率作为关键评估指标，构建了包括年均碳减排量、碳损失率及碳保留率在内的评估体系。通过将全生命周期指标（光伏阵列的年均碳减排量、集热阵列的供暖期平均碳减排率、储热罐的年均碳保留率）与修正后的随机节点数据进行对比，结果显示修正后的碳减排量偏差在1%–7%之间，碳保留率偏差在6%–13%之间。本研究为快速评估光伏/光热系统的实际全生命周期性能提供了一种简化方法。

引言
作为一种清洁无污染的可再生能源，太阳能的广泛应用对于加速能源结构转型和实现碳中和具有重要意义[1]。太阳能光热光伏能源系统不仅能满足建筑的供暖和用电需求，还能助力降低建筑运营过程中的碳排放。为准确评估实际的碳减排效果，必须采用科学严谨的评估方法，这不仅有助于技术验证，也有利于推动太阳能光热及光伏系统的广泛应用和持续优化[2]。

该领域的早期研究主要侧重于通过现场测量来分析系统性能。许多学者利用实际项目中的运行数据进行了深入研究，通过长期监测和分析，发现了系统性能的规律，进而确定了核心设计参数并建立了性能评估方法。Pearsall[3]通过分析塞尔维亚某光伏电站12个月的运行数据及其最终发电量，对其性能进行了评估。Al-Otaibi等人[4]采用性能比这一指标比较了同一地区不同光伏电站的发电能力。Jing等人[5]以年度二氧化碳减排贡献作为评估指标，以华北绿色综合能源园为案例进行了研究。Sukumaran等人[6]则利用碳足迹指标对包括皇家贝伦森林公园在内的四个营地中的太阳能光伏项目进行了评估，评估依据是这些项目全生命周期内的碳减排量。

基于该领域的大量实证研究，学术界和工程界逐步形成了以性能比、等效发电量、稳态集热量等关键指标为核心的系统性评估框架，这一框架也为IEC、IEEE和ISO等国际标准体系的建立提供了依据。表1总结了这些标准评估指标的优缺点。上述标准为不同系统提供了具体的评估指标，可为系统评估提供有效指导。然而，这些指标的计算需要严格的测试条件，难以满足太阳能光热及光伏系统快速评估的需求[16][17]。因此，研究人员提出了多种针对太阳能光热及光伏系统的新评估指标。Elfadeel等人[18]以总能源效率和总耗散效率作为核心指标，用于评估同时产生热水、热空气和电能的系统的性能。Panaras等人[19]提出了一种方法，利用年度有效热能、太阳能占比以及热泵的年度用电量等热电性能指标，对太阳能与热泵结合的热水供应系统进行测试和性能评估，该方法可用于预测系统每年为用户提供的热能以及热泵的相应用电量。Deng等人[20]基于两节点集总热容法，提出了平板式太阳能集热器的动态热性能预测模型，采用了瞬时集热量和有效热容等热性能指标。Kong等人[21]则利用系统有效得热量和夜间热损失系数等热性能指标，提出了一种评估和预测家用太阳能热水系统热性能的方法，该方法能够精确预测系统在短期、长期及不同条件下的热输出特性以及其年度热性能。Agarwal等人[22]基于对太阳能光伏发电过程中环境因素的分析，建立了光伏电站的二氧化碳减排和碳信用评估指标，用于评估建筑领域的碳减排情况。Tashtoush等人[23]在净现值约束条件下，估算了约旦公寓楼在电池储能系统最佳应用场景下的二氧化碳减排潜力。Odoi-Yorke等人[24]提出了一种新的太阳能热水系统综合分析方法，采用了太阳能占比、净现值和二氧化碳减排量等指标，并通过加纳多个城市的酒店案例验证了其可行性。

尽管创新性的评估指标丰富了太阳能光热光伏系统的评估维度，但预评估方法仍然是满足“快速初步评估”需求的核心手段，它能为系统设计初期的决策者提供重要参考资料[25]。其中，仿真建模是目前应用最广泛的技术工具，许多学者使用TRNSYS和Design Builder等专业仿真软件构建系统模型，通过将这些创新指标与传统指标相结合，能够在设计阶段快速预测系统的性能和碳减排效益。Tashtoush等人[26]采用迭代优化模型，预测了约旦典型公寓光伏系统短期的年均碳减排量。Deng等人[27]则利用仿真平台预测系统性能和年度运行负荷，再根据预测结果进行后续的系统优化。然而，基于黑箱模型或高度简化的仿真方法往往难以完全捕捉系统实际运行过程中的复杂性和不确定性，这可能导致评估结果与实际情况出现较大差异[28][29]。Mokhtara等人[30]使用仿真软件评估并网屋顶光伏系统的性能，预测结果与实际测试结果的偏差不超过5%。Bai等人[31]则利用TRNSYS-MATLAB平台对主动-被动式太阳能供暖系统进行了长期热性能评估，其结果显示预测温度与实际测试结果的偏差在17%-19%之间。通过仿真方法与创新指标的结合应用，学术界逐步形成了以模拟发电量、理论集热量、预测性能比、年度系统能源性能及预计碳减排量等核心指标为支撑的预评估指标体系，这一体系已成为设计阶段快速分析太阳能光热光伏系统性能的主流方法。

总体而言，现有太阳能光热及光伏系统性能的分析已形成了结合后评估与预评估的研究模式，但在实际工程应用中仍面临诸多挑战：一方面，基于仿真的预评估方法需要较高的建模水平，建模过程复杂且难度大，即便引入了创新性评估指标，普通工程技术人员也难以熟练掌握，导致其在实际工程项目中的应用率极低，太阳能光热光伏系统在设计阶段的预评估在实际中很少开展。因此，开发一种建模简单、工程人员易于使用的预评估方法至关重要。另一方面，基于仿真的预评估方法完全依赖于模型计算，建模质量、参数精度以及与实际工程场景的相似度等因素都会直接影响评估结果的准确性，而仿真软件往往难以完全体现实际系统运行中的复杂性和不确定性，从而导致包括创新指标在内的各种评估参数与实际工程条件之间存在较大差异。

预评估方法具有高效、周期短以及在设计阶段即可预测系统性能等优点，而后评估方法则以其数据的真实性、结果的可靠性以及与实际工程运行条件的契合度为特点[32][33]。Ramanan等人[34]和Ma等人[35]也通过对并网和离网光伏系统进行长期性能后评估，并结合实测数据，进一步验证了实测数据的可靠性。因此，将现有预评估方法的效率优势、后评估方法的精度优势以及当前创新指标的多维度表征能力相结合，开发一种适用于工程实践的太阳能光热-光伏系统新型性能评估方法，已成为亟待解决的关键问题，这一进展对于推动太阳能光热-光伏系统性能分析与评估的实践应用具有极为重要的意义。

为应对这些挑战，并考虑到设计阶段基于仿真的预评估与运行阶段后期评估各自的局限性和实际需求，本文创新性地提出了一种基于能量-碳流的太阳能光热光伏系统全生命周期运行性能评估方法。该方法考虑了太阳能光热光伏系统在典型气候条件下的运行性能，可通过短期测试与评估表格，定量描述系统在运行阶段的年均性能及碳减排效果。

章节节选
系统介绍与能量-碳流分析
以太阳能光热光伏联合供能系统为例，其结构与能量流过程如图1所示。根据不同的能量品质和转换路径，该系统可分为三个主要部分：光伏子系统、太阳能光热子系统以及电-热转换子系统。光伏子系统包括光伏阵列、逆变器、电池及其他相关组件。

气象因素对集热器性能的敏感性分析
在分析四种气象因素对集热性能的影响时，敏感性系数从高到低依次为：总日太阳辐射量 > 日平均温度 > 日平均风速 > 日平均云量。这些系数的平均绝对值分别为6429、2828、2759和2314，因此在这四种气象因素中，总日太阳辐射量的变化对集热性能的影响最为显著。

短期修正方法与系统设计之间的关系
在太阳能光热及光伏系统设计与建筑领域实现碳中和目标的进程中，可再生能源系统的预评估是其核心组成部分。在这一阶段，如何平衡规划速度与评估精度是亟需解决的问题。传统的性能评估主要依赖于设计条件仿真或特定的运行测试，但它们存在明显局限性：一方面，仿真……

结论
本研究基于系统的能量流过程，为太阳能光热发电系统的运行测试开发了一套年均性能修正方法及碳排放减少评估方案。对影响太阳能热电系统运行性能的气象因素的敏感性分析表明，系统容量效率对总太阳辐射量和环境日平均温度的变化最为敏感。

CRediT作者贡献声明
宋金兆：写作——审阅与编辑；张志豪：可视化；刘岩峰：写作——审阅与编辑、方法论；梁世立：写作——审阅与编辑、资源、概念构思；潘佳美：写作——审阅与编辑、监督；周勇：方法论、概念构思

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金[项目编号U23A20657、52108091]、教育部基础学科拔尖学生培养计划[项目编号JYB2025XDXM901]、山西省高校青年创新团队[项目编号2023-2026]以及河南省重点研发计划[项目编号221111320200]的支持。