澳大利亚与英国集中式与分散式公寓光伏系统的技术经济比较评估

《Energy Conversion and Management-X》：Comparative techno-economic assessment of centralized and decentralized apartment PV systems in Australia and the United Kingdom

　　

研究人员针对公寓光伏(PV)系统在屋顶面积受限、内部配电复杂、多用户分配不均及发电部分消纳率低等约束下，仅以装机容量衡量性能存在的不足，构建了确定性的情景化技术经济评估框架。该框架对比了集中式共享系统与分散式户级单元系统两类配置，覆盖10、30及60户三种建筑原型，结合澳大利亚与英国的 regional PV-yield 条件，形成12组对比情景。研究采用能源接入比(Energy Access Ratio, EAR)作为核心指标，辅以可获取能量、自发自用率、受益住户比例及经济性参数开展评估。其中经济性部分为筛选级分析，仅提供指示性年度电费节省及基础投资指标（投资回收期与净现值），而非完整的可行性评估。跨国差异源于情景框架中设定的 regional yield、电价及制度参数差异。结果表明，集中式系统在建筑级能源利用率与收益传递效率上持续优于分散式系统，EAR 值分别为0.66–0.81与0.31–0.47，大规模建筑情景中可获取能量最高提升115%。尽管受屋顶空间限制，单户可获取能量随建筑规模扩大而下降，集中式系统仍可通过聚合与协调分配维持更高效率。敏感性分析指出，参与率与基础设施容量是关键驱动因素。该研究证明，系统架构显著影响可用发电转化为实际用户侧收益的能力，更高的发电量并不必然提升建筑级性能，因此优化分配机制与系统集成对提升公寓分布式能源系统的性能与包容性至关重要。

本研究发表于《Energy Conversion and Management-X》，聚焦于多户公寓场景下分布式能源资源(Distributed Energy Resources, DERs)中屋顶光伏(PV)系统的部署瓶颈。当前，尽管澳大利亚与英国等国在独栋住宅中实现了高渗透率的光伏应用，但公寓建筑受限于结构性约束——包括屋顶与负荷比不足、内部配电系统无法支持双向潮流或多用户共享、分配效率低下导致的弃光或外送，以及租户参与率低——使得装机容量无法直接反映实际用户侧能源获取水平。现有评估多停留在装机规模、发电量或采用率层面，缺乏对建筑级能源转化效率的系统性量化。为此，研究人员开发了基于建筑尺度的比较框架，引入能源接入比(Energy Access Ratio, EAR)这一指标，以量化多用户系统中可用发电转化为实际可获取能量的效率，并通过情景建模对比集中式与分散式架构在不同技术、制度条件下的表现。

在方法学上，研究人员采用确定性情景建模方法，设定10、30、60户三类典型公寓建筑原型，分别配置集中式共享光伏系统与分散式户级系统。研究基于澳大利亚与英国的区域光伏出力假设，利用小时级时间分辨率模拟光伏发电与建筑负荷的匹配过程，将可用屋顶面积经可用屋顶系数(f_usable)与功率密度(ρ_PV)转换为装机容量，并引入基础设施交付因子(η_infra)、分配效率(η_alloc)、治理效能(η_govern)、参与率(η_{participation})及采纳率(η_adoption)等参数刻画物理与制度约束。经济性评估为筛选级分析，基于避免零售电价与上网电价计算年度电费节省，并采用简化投资回收期与净现值作为对比指标。

研究结果部分显示，在概述性情景结果中，集中式路径在所有建筑原型与国家背景下均实现更高的可获取能量、EAR及受益住户比例。EAR在集中式系统中为0.66–0.81，分散式系统仅为0.31–0.47。自发自用率随建筑规模扩大而上升，但受限于屋顶空间减少，单户可获取能量呈下降趋势。在集中式与分散式路径比较中，集中式系统通过聚合公共负荷与多户需求，较分散式系统在小型建筑中提高约75–80%的可获取能量，大型建筑中提升达110–115%。建筑尺度效应分析表明，小规模低层建筑因屋顶与户数比较高，可实现最高的单户可获取能量；中等规模建筑中集中式优势因需求多样性增强而扩大；大规模建筑虽整体受屋顶限制，集中式系统仍能通过共享分配维持较高EAR。国家与区域出力对比显示，澳大利亚情景总发电量更高，而英国集中式情景在特定分配条件下可将更大比例的可用发电转化为可获取能量。可获取能量与包容性结果表明，集中式系统可实现近全覆盖（95–100%）的用户受益，分散式系统则受限于采纳率（45–65%），导致收益分布不均。经济性结果显示，集中式系统在建筑总节费与单户节费上均显著优于分散式系统，且随着建筑规模扩大，其投资回报优势更为明显。敏感性分析证实，参与率与基础设施交付因子是EAR的主要驱动参数，时间分辨率变化虽影响绝对值，但不改变集中式系统的相对优势。

在讨论部分，研究人员指出系统架构是决定公寓光伏性能的核心因素。集中式配置通过多户与公共负荷的聚合，提升了可用发电的转化率；分散式配置依赖户级自发自用与个体参与，限制了跨户能量平衡能力。建筑规模通过屋顶与户数比约束单户可用容量，对分散式系统影响更显著。架构性能随规模变化由四个机制驱动：屋顶与户数比在小建筑中有利于分散式；负荷聚合在大建筑中强化集中式优势；参与结构决定收益覆盖范围；协调成本与利用收益的权衡随规模而变化。分配效率与基础设施能力是实现高性能的关键，集中式系统需有效内部配电与协调机制支撑。技术经济含义表明，设计需在协调复杂性与利用效益间取得平衡。政策层面建议支持共享计量、多用户分配机制与基础设施升级，以提升整体系统性能。

结论部分强调，公寓光伏系统的性能由系统架构决定，而非仅由装机容量或总发电量决定。集中式配置通过聚合与协调分配，将更大比例的可用能量转化为用户侧可获取收益，且在屋顶受限的高密度建筑中优势更为显著。EAR可有效量化不同架构在多用户环境中的能源转化效率。敏感性分析验证了结果的稳健性，并指出参与率与基础设施容量是核心影响因素。研究表明，仅靠容量扩张不足以提升用户侧能源获取水平，必须同步优化系统架构、分配机制与基础设施约束。