综述：北欧地区光伏系统：技术经济与生命周期可持续性评估的系统性综述

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Photovoltaic systems in the Nordics: A systematic review of techno-economic and life-cycle sustainability assessments

　　

光伏技术的快速全球部署增加了对其技术性能、经济可行性和环境兼容性进行全面评估的需求。在高纬度地区，由于太阳高度角低、辐照度变化大以及特定的电力市场结构，这些评估至关重要。本研究对单面和双面光伏（PV）的技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA）研究进行了系统性综述，特别强调高纬度应用。遵循PRISMA指南，研究人员分析了103篇同行评审期刊文章，重点关注方法论、系统配置、软件工具、性能指标、地理分布以及技术经济与环境研究之间的整合。结果证实了安装量的增加、平准化能源成本（LCOE）的显著下降，以及基于模拟的方法主导了实验和混合研究。超过70%的研究考虑了地面安装和屋顶安装系统，而漂浮式和立面集成光伏系统很少被评估。只有约13%的研究考虑了完全整合的技术经济-环境评估。主要研究空白包括方法论碎片化、有限的实验测试能力、寒冷气候安装的代表性不足以及可持续性方面的整合不充分。未来的研究应解决混合验证方法和对非传统光伏安装的详细调查，以确保北欧和其他高纬度地区基于证据的可持续部署。

3. 结果与讨论
3.1 纳入研究的描述性概述
3.1.1 研究年份
2015–2017年间发文量较低，2018年后显著增长，2023–2024年达到峰值。增长原因包括：光伏技术成熟促使研究从技术开发转向技术经济分析（TEA）；全球政策驱动如欧洲绿色新政、后疫情复苏策略和国家净零承诺推动投资与学术研究；方法论工具进步，如人工智能（AI）、地理信息系统（GIS）建模、多准则决策分析（MCDA）和蒙特卡洛模拟（MCS）的应用提升了预测精度。
3.1.2 区域集中度
研究主要分布在欧洲（尤其是意大利、西班牙、土耳其）、美国、中国、印度和澳大利亚，而南美和北非较少。欧洲的集中度与欧盟气候、能源和工业政策框架（如可再生能源指令、REPowerEU计划、净零工业法案等）密切相关。意大利和西班牙因有利气候、政策支持及循环经济战略而产出较多，芬兰的高纬度研究则关注季节性辐照变化、低太阳高度角和雪荷载影响。
3.2 方法论分类
模拟研究占44%，实验研究占24%，混合研究占22%，其他方法占10%。模拟研究主导，但缺乏实验验证；实验研究多集中于地面和屋顶安装；混合研究平衡了多种配置。
3.2.1 模拟研究
模拟研究占比最大，广泛用于长期性能预测、经济可行性和环境评估。常用软件包括PVsyst（光伏性能模拟）、MATLAB（建模与优化）、Python（数据分析和机器学习）、Simapro和OpenLCA（生命周期评估（LCA））、HOMER Pro（混合微电网优化）、SAM（系统与财务建模）、PVlib（光伏建模库）、PVGIS（太阳辐射数据）、ArcGIS（空间分析）和EnergyPlus（建筑能耗模拟）。多工具结合（如PVsyst与HOMER Pro）增强分析能力。
3.2.1.2 技术经济评估中的经济指标与敏感性分析
常用指标包括平准化能源成本（LCOE）、净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和投资回收期。LCOE便于跨技术比较，但无法完全反映投资吸引力；NPV和IRR提供投资者视角；回收期直观但未考虑现金流后效应。输入参数包括资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、电价、折现率等。敏感性分析识别关键不确定性来源。
3.2.2 实验研究
实验研究占24%，按目标分为五类。
3.2.2.1 运行条件的影响
灰尘积累可导致输出功率降低高达50%；温度升高使多晶和单晶组件效率分别下降约29%和21%；高湿度（65.4%–98.2%）使发电量下降35%；阴影导致非线性功率损失，局部遮阴尤其严重；风速通过冷却和除尘改善性能；反照率对双面光伏有利，21%–79%的反照率可使双面增益从10.5%提升至33.3%。
3.2.2.2 设计、配置与可行性优化
实验研究验证技术可行性，如蒸发冷却系统使效率提高约14%，石蜡铝罐被动热管理使效率从10.69%提升至12.60%，疏水SiO₂纳米涂层使效率提高15%。跟踪系统可提升30%–45%的发电量。冷却技术包括主动冷却（纳米流体）、被动冷却（相变材料（PCM））、辐射冷却、混合冷却和热电发生器（TEG）系统。漂浮光伏（FPV）利用水冷却效应提升性能。光伏-电解（PV–EC）系统用于绿氢生产，1.2 MW系统可日产约200 kg氢气。
3.2.2.3 先进材料与创新技术
第一代光伏为晶体硅（c-Si）太阳能电池，成熟高效；第二代薄膜电池（非晶硅（a-Si）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS））轻便灵活但效率较低；第三代包括多结电池（效率超47%）、钙钛矿电池（实验室效率超25%）等新兴技术。
3.2.2.4 可靠性、耐久性与退化研究
短期退化包括光致退化（LID）（效率降低3%–6%）、电势诱导退化（PID）（功率下降达20%）、热应力和机械荷载。长期退化包括紫外辐射导致封装剂老化、背板老化、湿气侵入腐蚀、积灰、热斑和机械应力。这些因素影响组件寿命和性能。
3.2.2.5 环境影响
材料提取与制造阶段：晶体硅电池制造能耗和水耗显著，中国2010–2020年增加约6.5倍，污染物包括镉、铅等。运营阶段：清洗用水和重金属泄漏造成环境风险。寿命终结阶段：回收可回收硅、铝、银等材料，减少温室气体（GHG）排放，避免填埋对环境的影响。
3.2.2.6 温室气体排放与碳足迹
光伏系统生命周期碳排放远低于化石燃料，但制造阶段（尤其是硅提纯）贡献最大，受制造地电力结构影响。运营阶段排放低，但维护活动有贡献。高纬度地区因辐照量低，单位发电碳足迹更高。寿命终结回收可进一步降低GHG。
3.2.3 混合研究
混合研究结合模拟与实验或现场验证，提高模型可靠性和预测准确性。例如，结合TRNSYS模拟与实验设计，或PVsyst模拟与实验分析，可验证辐照度、温度、产量等假设，识别数值模型未充分体现的运行参数，促进系统优化和实际应用。
3.3 安装类型与设置
地面安装适合大型项目，但需大量土地且受温度、积灰影响；屋顶安装节省土地，适合城市分布式发电，并可通过遮阳减少建筑冷却能耗；漂浮光伏利用水体冷却提高效率，并减少蒸发和藻类生长，但存在腐蚀、锚固等挑战；建筑集成光伏（BIPV）整合进建筑立面，提供隔热和降噪，但安装复杂、维护困难；实验室研究提供可控条件，但规模有限。通过八项性能准则的半定量比较（1–5分），地面和屋顶安装在地利用、维护和成本方面表现中等，漂浮光伏在能源产量和冷却效应上突出，BIPV在建筑集成和美观性上优秀，实验室研究在可控性和可重复性上最高。
3.4 目标与重点领域
单目标研究占49%，多目标研究占51%。技术评估占37%最多，技术经济评估占27%，纯经济评估（5%）和纯环境评估（7%）较少，技术-环境结合（3%）和环境-经济结合（8%）有限，完全整合的技术经济-环境评估仅占13%。这表明尽管多目标方法增加，但全面整合仍不足。关键词网络显示，“光伏面板”出现66次，与“双面光伏”“性能分析”“经济分析”紧密相连；“生命周期评估（LCA）”“可持续性”“优化”“可再生能源”等关键词也较突出，反映环境评估和系统优化的重要性。
研究空白与未来展望
地理偏差：研究集中于南欧和西欧，高纬度地区（如芬兰）研究不足，需针对季节性辐照、雪荷载等条件开展研究。方法论失衡：模拟研究主导但缺乏实验验证，混合方法可减少不确定性。冷气候实证不足：寒冷气候下雪覆盖、反照率效应等机制被简化，需长期现场测量和混合模型开发。非传统光伏配置不足：漂浮和建筑集成光伏（BIPV）在冻融循环、冰荷载等条件下的可行性研究缺乏。技术经济评估（TEA）与生命周期评估（LCA）整合有限：仅少数研究实现完全整合，限制成本与环境影响的权衡分析。寿命终结与循环路径不充分：多数研究采用通用假设，需结合芬兰实际回收物流和监管框架。