沙特阿拉伯分布式光伏系统的现状、挑战与前景：技术与经济性评估

作者及发表信息
本研究由Abdulrhman Klifa Al-Hanoot（马来西亚马来亚大学工程学院、沙特国王费萨尔大学）、Hazlie Mokhlis（马来亚大学）、Saad Mekhilef（马来亚大学、澳大利亚斯威本科技大学）等学者合作完成，发表于2024年10月的《Energy Strategy Reviews》期刊（Volume 55, Article 101535）。研究获马来亚大学研究基金（ST027-2022）和沙特国王费萨尔大学科研资助（KFU241891）支持。

学术背景与研究目标
在全球能源转型背景下，沙特阿拉伯作为化石燃料主导经济体，正通过“国家可再生能源计划（NREP）”推动光伏（PV）技术应用。研究聚焦分布式光伏系统（如屋顶光伏）在沙特高温干旱环境中的性能表现、经济可行性及政策障碍。科学问题包括：光伏系统在极端气候下的能效损失机制、屋顶空间利用率（Utilisation Factor, UF）的优化路径，以及平准化能源成本（Levelized Cost of Energy, LCOE）的影响因素。研究旨在为沙特实现2030年50%可再生能源供电目标提供技术路线与政策建议。

研究方法与流程
1. 数据采集与区域分析
- 数据源：整合沙特44个地区的太阳辐射（GHI）、温度、湿度及沙尘数据（来自国际可再生能源机构IRENA、沙特电力公司SEC等），结合实地调研。
- 技术评估：利用PVsyst软件模拟不同光伏技术（单晶硅、多晶硅、薄膜）在沙特气候下的性能，对比容量因子（Capacity Factor, CF）与性能比（Performance Ratio, PR）。

1. 屋顶光伏利用率（UF）建模

   • 公式：UF = (可用光伏面积)/(屋顶总面积 - 障碍物面积 - 维护通道面积 - 阴影面积)。
     
   • 案例研究：分析利雅得105栋建筑的屋顶结构，通过遥感与实地测量确定平均UF为49%，住宅与校园建筑的UF范围21%-49%。
     

2. 经济性评估

   • LCOE计算：涵盖初始投资、运维成本、电池储能成本（如有），公式为LCOE = 生命周期成本/总发电量。
     
   • 案例对比：12.25 kW住宅光伏系统LCOE为0.038美元/kWh，而1 MW商业系统为0.061美元/kWh。
     

3. 气候适应性实验

   • 沙尘影响：在Dhahran地区实测显示，60天未清洁导致光伏效率下降43%。
     
   • 清洁策略：双周清洁可提升能效14%，半年度维护可将PR维持在77%-84.27%。
     

主要研究成果
1. 技术性能
- 屋顶光伏的初始UF为21%-49%，校园与住宅建筑的节能率分别为16-21%和43%。
- 高温环境下，单晶硅组件PR达84.27%，但沙尘可使PR降至77%。倾斜角优化（如24°）提升效率9%。

1. 经济性数据

   • 沙特分布式光伏LCOE均值为0.0445美元/kWh，低于居民电价（0.048美元/kWh）。无电池的并网系统投资回收期8.4-9.2年，而电池系统LCOE升至0.11美元/kWh，经济性较差。
     

2. 气候挑战

   • 沙尘积累导致月均效率损失7%-28%，反射镜与纳米流体冷却技术可提升热效率70%。
     

3. 政策建议

   • 现行净计量政策（Net Metering）已安装2.2万套系统，但需扩大补贴范围至低收入家庭。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次系统性量化沙特分布式光伏的UF与PR，提出适用于干旱地区的“双周清洁+半年度维护”运维标准。
- 建立LCOE模型，验证屋顶光伏在沙特现行电价下的经济可行性。

1. 应用价值
   
   • 为沙特NREP目标（2030年16 GW屋顶光伏）提供技术路径，尤其适用于宗教建筑（全国9.4万座清真寺）。
     
   • 推动红海新城NEOM等100%可再生能源项目的设计。
     

创新点
- 提出“多方位光伏阵列布局”技术，通过交叉串联（TCT-S）设计将阴影损失降低36.7%。
- 整合气候数据与经济模型，为中东及北非（MENA）类似地区提供参考框架。

局限与展望
研究建议未来建立季度性技术-经济指标数据库，并探索光伏-热泵（PV/T）混合系统在海水淡化中的应用。