《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Performance and viability of transpired solar collectors for pre-heating ventilation air
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本文针对极端天气事件对可再生能源系统（RES）可靠性的挑战，以沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）社区为案例，开展了一项集成优化设计研究。研究人员构建了包含光伏（PV）、风电（W）、电池储能（BESS）、聚光太阳能发电（CSP）及储热（TES）的混合系统模型，采用基于TRNSYS-GenOpt的仿真优化方法，以生命周期成本（LCC）和CO2排放最小化为目标进行优化。结果表明，集成CSP/TES的系统在保证100%可再生能源供应的同时，LCC可降低21%，显著提升了系统在历史极端天气下的韧性。该研究为高可再生能源渗透率社区应对气候风险提供了创新的设计框架和决策支持。
在全球能源转型和应对气候变化的背景下，提高可再生能源在能源结构中的占比已成为共识。然而，风能、太阳能等可再生能源具有显著的间歇性和波动性，其出力高度依赖天气条件。极端天气事件，如持续阴天、静风或极端高温，可能导致可再生能源系统（RES）发电量骤降，严重威胁电力供应的安全性与可靠性。如何设计具有韧性的RES，使其在极端天气条件下仍能稳定满足负荷需求，是当前能源领域面临的一大挑战。沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）社区地处热带沙漠气候区，太阳能资源丰富，但也面临着高温、沙尘以及潜在的极端低辐射天气的影响，是研究RES韧性的理想案例。为此，研究人员在《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》上发表论文，旨在开发一个仿真优化框架，用于设计能够抵御历史极端天气事件的、经济可行的社区级RES。
为回答上述问题，本研究采用了仿真与优化相结合的方法。核心是建立了包含光伏（PV）、风力发电（W）、电池储能系统（BESS）、聚光太阳能发电（CSP）及其储热系统（TES）的混合RES模型，并在TRNSYS环境中进行动态仿真。优化目标是最小化系统的生命周期成本（LCC）和CO2排放，约束条件包括满足KAUST社区全年的电力和淡水需求（通过反渗透海水淡化厂满足）。研究采用基于PSO算法的仿真优化（通过GenOpt实现），并创新性地提出了一个将历史极端天气事件识别并纳入初始设计输入数据的迭代框架，以评估和提升系统的韧性。关键模型参数基于KAUST当地25年（1997-2021）的历史气象数据和2021年的实际负荷数据。
研究结果
系统配置与成本效益分析
优化结果表明，包含CSP/TES的混合系统（CSP/PV/W/BESS/TES）在实现100%可再生能源供应时，其生命周期成本（LCC）为14.6亿美元，平准化度电成本（LCOE）为0.1687 /kWh。而不含CSP/TES的系统（PV/W/BESS）达到相同可再生能源渗透率时，LCC和LCOE分别高达18.5亿美元和0.2100/kWh。CSP/TES的引入使LCC降低了21%，凸显了其通过储热实现长时间尺度能量调度、减少对昂贵电池依赖的经济优势。当允许少量（1%）电网购电时，两个系统的成本均显著下降，说明适度的外部备份可大幅提升经济性。
极端天气事件的影响与韧性提升
对优化所得系统进行长达25年的历史气象数据（1997-2021）回溯仿真发现，仅基于单一典型年（2021）数据设计的系统，在遭遇历史上某些极端低辐照、低风速天气时会出现电力供应缺口。例如，PV/W/BESS系统在1997年10月31日至11月1日连续11小时无法满足需求，缺电量达603 MWh。通过本文提出的框架，识别出这些导致失负荷的极端天气日（如1997年10月31日），并将其替换原始设计输入数据中的对应日期，重新进行优化。优化后的新系统配置（如PV容量从646 MW增至938 MW）在25年回溯仿真中表现出了更强的韧性，失负荷率从0.25%显著降低至0.02%甚至为零。
能源调度与系统运行特性
对CSP/PV/W/BESS/TES系统在夏季和冬季典型日的运行分析显示，CSP电站配合TES发挥了关键作用。在7月的五天里，CSP和TES提供了97%的总用电量，主要满足夜间负荷；而在11月，虽然CSP/TES仍是主力（供应94%），但BESS在夜间TES不足时的放电作用增强。这表明CSP/TES提供了基础性的稳定电力，而BESS则弥补了短时、快速的功率缺额。研究也观察到，在TES已满且夜间负荷较低时，CSP电站可能产生少量无法消纳的过剩电力。
研究结论与意义
本研究成功构建了一个集成仿真、优化和历史极端天气分析的RES韧性设计框架。研究结论强调，单纯基于典型气象年设计RES可能低估其在长期运行中面临的供应风险。将历史极端天气事件主动纳入设计阶段，能够有效引导优化算法选择更具韧性的系统配置（如增加CSP/TES或适当扩大PV/储能容量），虽可能增加初始投资，但能显著提升系统应对气候不确定性的能力，降低长期运营风险。对于KAUST这类追求高比例可再生能源供应的社区，采用包含CSP/TES的混合能源系统是兼顾经济性与可靠性的优选方案。该研究方法具有普适性，可为全球其他地区，特别是太阳能资源丰富但气候多变的地区，设计低碳、韧性强的区域能源系统提供重要的方法论参考和实践指导。这项工作深化了对RES韧性的理解，将设计视角从“平均性能”扩展到“极端情景下的生存能力”，对推动可再生能源大规模、高比例安全接入具有积极意义。
