《Renewable Energy》：Comprehensive simulation and experimental validation of energy and economic performance in fixed and dual-axis tracking photovoltaic systems using photovoltaic modeling tools
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光伏系统在旱区气候下的性能与经济性对比研究，通过实验与模拟分析验证双轴跟踪系统在能量产出（年增10-15%）和经济性（LCOE降低8.7%）上的优势，提出沙尘环境维护策略。
Layachi Zaghba | Messaouda Khennane Benbitour | Amor Fezzani | Abdelhalim Borni
阿尔及利亚Gharda?a可再生能源发展中心（CDER）应用可再生能源研究部门（URAER），邮编47133
摘要
尽管光伏系统的应用日益广泛，但在炎热干旱的气候条件下，特别是北非地区，关于屋顶固定式和跟踪式光伏系统在能源和经济性能方面的实验研究仍然不足。现有的大多数研究主要集中在公用事业规模或仅基于模拟的分析上，对于成本效益至关重要的屋顶应用缺乏实际验证。本研究通过结合光伏模拟工具和一年的实验数据，对安装在干旱地区的固定式和双轴跟踪式光伏系统进行了比较评估。结果表明，在月度能源产出方面，双轴跟踪系统始终优于固定式系统，年产量高出10-15%，尤其是在冬季和太阳高度角较低的时候。然而，在夏季月份，固定式系统的性能略高。经济分析显示，尽管双轴系统的前期投资和维护成本较高，但由于能源产量增加和投资回报率的提升，其长期效益更好。这种综合的模拟和实验方法证实，在炎热干旱的气候条件下，双轴跟踪系统是更经济且更可行的光伏安装解决方案。
引言
全球对清洁和可持续能源需求的增长使光伏（PV）技术成为向低碳能源系统转型的关键。太阳能丰富、可再生且环保，尤其是对于太阳辐射强度高的地区来说，是一个极具吸引力的解决方案。其中，干旱和半干旱地区因其优异的太阳能资源潜力而脱颖而出，这些地区的年总水平辐照度（GHI）高、降水量低且拥有广阔的无遮挡土地。北非地区的年太阳辐射强度超过2000千瓦时/平方米，使其成为太阳能应用的理想地点。
多项研究详细探讨了光伏系统的性能，指出了影响其效率和长期可靠性的关键挑战。环境因素如污垢、灰尘积累和沙尘暴（尤其是在干旱和半干旱气候中）会导致能源输出减少10-30%；高温环境会导致晶体硅组件的效率下降约0.4-0.5%每摄氏度。此外，逆变器效率低下、阴影遮挡、线路电阻不匹配等问题也会造成能源损失，仅阴影遮挡就可能导致高达20%的能源损失。长期性能下降也是一个问题，晶体硅技术的年性能下降通常为0.5-1%。最近的研究表明，支持向量机（SVM）、随机森林（RF）和长短期记忆（LSTM）网络等机器学习模型在预测功率输出和检测故障方面具有潜力，但这些模型需要大量数据集并需要持续验证。此外，针对特定气候的设计至关重要，因为不同地区的性能差异显著。总之，这些研究强调了需要根据地理位置调整系统设计、采用先进的控制算法和有效的维护策略，以优化光伏系统在现实条件下的性能。此外，最新研究还展示了双面硅技术在发电量方面的优势，相比单面硅技术具有更高的效率。
尽管光伏系统在干旱气候中具有明显优势，但仍面临诸多环境挑战，包括高温、灰尘和沙尘积累以及光伏组件的热退化。这些因素会降低能源产量、增加系统维护需求并缩短组件寿命。此外，在这些恶劣环境下，尤其是屋顶安装的光伏跟踪技术（如单轴和双轴系统）的有效性尚未得到充分研究。
现有文献的一个显著不足之处是缺乏对炎热干旱地区屋顶光伏系统在能源和经济性能方面的实验验证。迄今为止的大多数经济评估都集中在公用事业规模的安装上，对发展中国家屋顶应用的成本效益动态关注较少，而在这些地区，前期投资、维护成本和融资条件对技术采用有着重要影响。解决这些动态问题对于加速太阳能技术在能源获取、可负担性和基础设施受限地区的应用至关重要。本研究通过同时评估半干旱和干旱地区固定式与双轴地面安装光伏系统的能源产出和经济影响，为在恶劣气候条件下的技术选择和决策提供了更全面的框架。
在这种背景下，比较固定式和跟踪式系统在真实干旱条件下的性能对于优化能源产出和确保长期经济可行性至关重要。尽管跟踪系统在温和气候下表现出更好的能源产出，但在炎热干旱环境中的成本效益、运行可靠性和维护需求仍需进一步研究，尤其是对于地面安装的光伏系统。大多数现有研究主要依赖于模拟或专注于公用事业规模的地面安装系统，因此关于发展中国家实际地面安装光伏系统的证据仍然不足。
为了解决这些不足，本研究在阿尔及利亚Gharda?a独特而恶劣的干旱气候条件下，对光伏系统进行了新颖而全面的实际评估。该地区以高太阳辐射、极端温度以及频繁的沙尘暴为特征。本研究的新颖之处在于采用了结合实验和模拟的方法，对相同容量的固定倾斜和双轴跟踪光伏系统（均为2.25千瓦峰值）在相同现场条件下的性能进行了评估。此外，本研究还比较了两种不同的光伏组件技术，探讨了材料特性如何影响沙漠环境中的性能和退化行为。另一个创新点是将长期实验监测与SUNNY DESIGN软件分析相结合，这在光伏性能和经济评估中很少使用。通过结合技术指标、能源产出以及NPV（净现值）、LCOE（平准化生命周期成本）和回收期等经济指标，本研究为干旱和多尘地区的光伏系统设计和投资策略提供了新的实用见解。
本文结构如下：第1节对比评估了位于炎热干旱气候和高太阳辐射地区的屋顶光伏系统的能源产出和经济性能。第2节结合了Sunny Design和PVsyst软件的模拟结果以及实际光伏系统一整年的实验数据，以确保在实际运行条件下的有效性验证。第3节讨论并解释了所得结果的技术和经济可行性。最后，第4节总结了主要发现并提出了结论性意见。
部分摘录
地点描述和系统概述
本研究在阿尔及利亚Gharda?a的可再生能源应用研究部门（URAER）进行，该地区具有炎热干旱的气候特征和高的年太阳辐射强度。评估了两种光伏（PV）系统：第一种是使用微晶硅（a-Si/μc-Si）光伏组件的固定倾斜阵列，设计为不使用任何跟踪机制。固定式光伏系统的倾斜角度为32°，朝向正南方（方位角）。
模拟结果
使用Sunny Design软件对两种系统进行了模拟，并用实际安装系统一整年的实验数据进行了验证。
图3a显示了使用Sunny Design软件获得的模拟结果，结果显示在全年范围内，双轴跟踪光伏系统在月度能源产出方面明显优于固定式系统。双轴配置通过保持最佳对齐方式展现了更好的性能。
结论
本研究对两种并网光伏配置进行了全面评估：一种是固定倾斜的微晶硅系统，另一种是双轴跟踪的多晶硅系统，这两种系统均安装在阿尔及利亚Gharda?a的URAER部门。通过结合使用光伏工具（Sunny Design和PVsyst）进行模拟和实验性能监测，评估了每种系统在该地区高太阳辐射和炎热干旱气候条件下的能源和经济潜力。
作者贡献声明
Layachi Zaghba：撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Messaouda Khennane Benbitour：撰写——初稿、可视化、验证、软件、调查、数据管理。Amor Fezzani：撰写——初稿、可视化、验证、软件、调查。Abdelhalim Borni：撰写——初稿、可视化、验证、软件。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢阿尔及利亚的可再生能源发展中心（CDER）和Gharda?a的可再生能源应用研究部门（URAER）的支持。
