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摘要
伊拉克各地的公共建筑在白天主要依靠低负荷运行的小型柴油发电机供电。本研究对拉马迪一所女子小学的光伏电池供电系统进行了评估，通过每小时模拟将其与20 kVA柴油发电机组进行对比，分别作为独立系统和保留发电机组作为备用电源的混合系统进行分析。需求数据根据电器审计和教学日历重建；发电量基于19年每小时卫星辐照度数据进行模拟；燃料消耗则参考同规格发电机组的制造商数据。一个19.44 kWp的阵列，包含28。在基准年份，7 kWh的磷酸铁锂储能系统可独立满足15,049 kWh年需求量的95.0%，在2005至2023年间满足比例为92.6%至98.1%。若将其作为备用，则可满足全部需求，该系统每年运行232小时，燃料消耗量降低89%。平准化度电成本为0.120美元/kWh。−1混合动力系统为0.093美元/千瓦时−1独立系统为0.167美元/千瓦时−1柴油按0.19美元/升的管制价格计算−1. 即使燃料免费，独立系统的每千瓦时成本依然更低；当燃料价格超过0.054美元/升时，混合动力系统更便宜−1. 温室气体强度从1213降至148克二氧化碳2-eq kWh−1使用混合动力车型，可避免10.4吨二氧化碳排放2每年。就总成本而言，混合动力车型在0.21美元/升的油价下与现有供应持平−1并在产品价格持平时25年内可带来23,572美元的收益，因此对于学校而言，在当前油价下该方案收益微薄，但对于考虑柴油机会成本的州政府来说，该方案极具优势。1. 引言
自20世纪90年代初以来，伊拉克的电力供应一直未能跟上需求增长，全国部分地区公共电网的停电时间甚至达到每天18小时[1]。长期投资不足、电价补贴和输电损耗都是造成这一问题的原因，该行业仍是公共资本支出中最大的单一需求领域之一[2,3,4]。据估计，约有5.5万至8万台额定功率在100至500千伏安之间的私营柴油发电机填补了这一缺口，它们通过孤立的单导体配电网为各个街区供电[1,5]。单个建筑拥有数量庞大的小型发电机组。公共部门建筑属于第二类。学校、诊所或市政办公室在工作日运行自己的发电机组，从很少根据产出进行审计的预算中购买燃料，并且没有计量电费的账单。这类机组在大部分运行时间内都远低于其额定功率。在低负荷运行的柴油微电网中，实测的单位燃料消耗量可能比公布的数值高出五倍[6]，且同类别的固定式发电机是城市空气污染物的重大来源[7].
这些建筑所处的太阳能资源位居世界前列。伊拉克中部和西部地区的长期水平辐照量介于4.6至5.2 kWh m−2每天。国家评估显示，年全球辐照量在2000至2500 kWh m−2之间，并将太阳能供应普及缓慢归因于政策和制度障碍，而非资源本身[8,9]。已安装系统的报告特定产量范围为1514至1745 kWh kWp−1每年[10]。模块价格已大幅下降，资本障碍不再是模块本身，而是购买它的拨款。变化较慢的是部门授权更换所需依据的证据基础。两个问题决定了情况：变更的成本是多少，以及能减少多少排放。这些问题通常在不同的文件、不同的系统边界和不同的系统上分别得到解答。
该问题的环境方面在技术层面已得到充分表征。已发表的生命周期评估的协调结果显示，晶体硅光伏的排放量中位数为45克二氧化碳2-当量千瓦时−1在每年1700千瓦时每平方米的平面辐照度下，比化石能源发电低一个数量级[−2]。国际能源署光伏系统计划（IEV PVPS）任务12的最新背包更新数据显示为35.8克二氧化碳11,12-eq kWh2对于一个3 kWp的屋顶单晶硅系统，年发电量为1331 kWh/m−1，其不可再生能源回收时间为一年[−2]。此类数值描述的是组件和系统平衡部分。它们并不描述带有电池的独立安装系统。电池是负担的重要组成部分：对带有锂离子储能的公用事业规模光伏系统进行从摇篮到坟墓的评估显示，54%的总排放量归因于电池制造[13]. 已发布评估之间的差异本身就是一个活跃的方法论问题，过去五年的协调和参数化工作已大幅缩小了这一差异[14]. Divergence between published assessments is itself an active methodological question, and the harmonisation and parameterisation work of the past five years has narrowed it substantially [15,16].
磷酸铁锂的电池级数据已趋于一致。基于成本的全球供应链重构显示，在第5、50和95百分位数下，分别为54、62和69 kg CO2-eq kWh−1。基于过程的中国生产模型显示为82.5 kg CO17-eq kWh2]. 一项涵盖原材料和电网条件的参数化研究给出了90至127公斤CO−1 [18]. 一项涵盖原材料和电网条件的参数化研究给出了90至127公斤CO2中国制造的排放量为27至64千克二氧化碳−1-eq kWh2挪威的排放量为[−1]。虽然差距很大，但它是有限的，而且足够小，使得独立系统的碳足迹可以给出一个可辩护的不确定性范围，而不是直接忽略。19]. The spread is wide, but it is bounded, and it is small enough that a stand-alone system’s footprint can be stated with a defensible uncertainty range rather than omitted.
在电网薄弱地区，离网和混合电源的经济性已多次得到研究。伊拉克农村电气化优化的混合微电网成本为0.123美元/千瓦时−1 [20]。针对伊拉克村庄和家庭的光伏-柴油电池配置在所有测试配置中均比纯柴油供应更具经济性[21,22,23]。巴格达的一项家庭研究发现，并网光伏电池系统的成本为0.077美元/千瓦时−1，而其取代的电网加发电机配置成本为0.126美元/千瓦时[−1]. 伊拉克以外的机构案例也呈现相同趋势。报告的电价为0.125美元/千瓦时24针对孟加拉国的一所偏远学校 [−1] 以及0.254美元/千瓦时25针对埃塞俄比亚南部的一所乡村学校 [−1]，肯尼亚和墨西哥的大学建筑回收期接近五到六年 [26]。在气候条件更接近的案例中，空调占沙特政府学校终端用电量的80%，因此屋顶光伏被评估为实现零能耗运行的途径[27,28,29]. 在阿斯旺的一座教育建筑中，光伏供电使电网使用量减少了38%，排放量减少了50% [30]。在这些对比中，纯柴油供电始终是成本最高的选项，价格为每千瓦时0.598至0.672美元31]. Diesel-only supply is consistently the worst option on cost in these comparisons, at 0.598 to 0.672 USD kWh−1 [10,32].
上述研究对机构离网问题的三个特征处理不足。首先是学校需求与太阳能资源之间的季节性关系。在炎热干旱气候下，两者在一年中有两个月处于直接对立状态：光伏阵列在七八月份达到年峰值，而此时建筑空置。按设计日进行容量规划会掩盖这一问题，其损失仅表现为特定产量与实际用能之间无法解释的差距。基于可靠性的容量规划通过逐小时模拟电力供应损失已得到广泛应用[33,34]，但通常是基于一个代表性年份和每天都会出现的负荷进行评估的，而不是针对消失两个月的负荷。第二个问题是柴油的估值。伊拉克柴油的政府定价约为0.19美元/升−1，仅占国际产品平价的一小部分。假设采用市场价格的分析会高估私人储蓄三倍以上；而假设采用管理价格的分析则会低估对国家的储蓄。第三点是，在自称为环境评估的研究中，往往忽略了光伏系统自身生命周期负担；当避免的排放量仅按替代柴油计算时，得出的结果是总数而非净值。西非离网微电网的生命周期比较显示，配备电池的纯光伏供电系统的排放量为0.10至0.16千克二氧化碳2-当量千瓦时−1以及每公斤1.14千克的柴油排放。2-当量千瓦时−1 [35]。这些数据表明，在计入储能和系统平衡时，修正的幅度。
本文旨在确定，与依赖柴油的学校相比，单独运行或与现有发电机组作为备用运行的光伏电池供电系统，在其整个生命周期内是否成本更低、排放更少，以及在何种燃料价格、可靠性目标和需求条件下这一结论成立。研究案例为拉马迪一所现有的女子小学，该校由20 kVA柴油发电机组供电，本文提出而非安装光伏系统，因此对其性能进行模拟而非实测。其创新之处在于，将上述三点整合在同一个小时模型和系统边界内，针对遵循学校日历的负荷进行分析，并使用19年的小时卫星数据而非单一合成年份来验证可靠性结果。主要贡献如下。
2. 材料与方法
四个模型在一个共同的25年研究期内耦合。需求和光伏发电按小时分辨率进行计算，系统分别在独立运行和以现有发电机组作为备用时进行模拟。成本采用ASTM E917的现值法进行折现[36]，温室气体排放遵循IPCC 2006年清单指南[37]以及IPCC AR6全球变暖潜势[38]。性能指标遵循IEC 61724-1的定义[39]。所有成本均以2026年不变的美元表示。完整模型作为一个单一脚本实现，以便在第三节源自一次运行；损失链、调度规则以及成本和排放因子详见下文。
2.1. 系统配置
伊拉克的一座机构建筑有三种供水方案，其示意图如下：图1。并网系统输出多余发电量并输入缺口，不携带储能，因此达到最低平准化成本，但防孤岛保护会在电网停电时将其断开，而这恰恰是学校需要它的时刻。混合系统在阵列旁边的交流母线上保留了一台柴油发电机和电池，因此发电机可以弥补任何缺口。它是三种系统中最可靠的，但仍保留了部分燃料采购和燃烧排放。独立系统既不需要电网也不需要燃料，仅靠自身携带阵列、充电控制器、电池和逆变器。不考虑并网方案，因为该地点的公共供电在大部分使用时间内不可用，因此无法通过出口信用证明其合理性。独立系统和混合系统均采用相同的阵列和电池进行模拟。混合系统利用现场已有的发电机组且不增加额外装备，因此两者之间的差异反映了当阵列承担大部分读档时，该机组作为备用电源的价值。读档时间也限制在八个白天小时内，这降低了储能需求，也随之消除了独立系统主要的成本劣势。
图1。机构建筑的供电配置：（）并网式；（）独立式；（）光伏-柴油混合式。配置（）是模拟的。c) photovoltaic–diesel hybrid. Configurations (b,c) are simulated.2.2. 场地与气候
案例研究建筑为位于安巴尔省拉马迪（北纬33.4191，东经43.2772）的Dar al-Ulum女子小学，海拔54米（图2a）。安巴尔省位于伊拉克西部，大致经纬度为北纬32.0至34.5度，东经38.8至44.4度。气候属于柯本分类中的BWh热带沙漠气候，年降水量低于120毫米，晴天或少云天超过300天。2005年至2023年的逐时平面辐照度和2米气温数据取自欧盟委员会联合研究中心PVGIS-SARAH3数据库[40]，计算了倾角为30°且朝向正南的平面。来自全球太阳能图谱Solargis数据集的长期月度值[41]列于表1中作为独立核对，并绘制在图3a. Solargis数据中的全球年水平辐照度为1965.5 kWh m−2直接法向辐照度为1819.0 kWh m−2年平均气温为24.3 °C，7月份为37.1 °C。该场地的最佳固定倾角为31°。
图2。案例研究场地：() 学校航拍图；() 拟建屋顶阵列平面图。b) plan of the proposed rooftop array.
图3。太阳能资源与合成方法验证：() 月度平面内辐照度与气温；() 参考年份的日序列；() 日辐照度相对于月平均值的分布；() 按年份划分的独立LPSP，以合成系列为基准。c) distribution of daily irradiation relative to the monthly mean; (d) stand-alone LPSP by year, measured against synthetic series.
表1。该场址（北纬33.4191，东经43.2772）的月度太阳能资源和气温：Solargis长期平均值[41]和PVGIS-SARAH3参考年[40].
学校拥有十二间教室和四间行政室，围绕庭院呈两翼布局，在08:00至16:00的八小时占用期内分两班次运行。屋顶为平屋顶，铺设瓦片，两翼均无遮挡（图2a）。根据现场勘测和第2.5节的几何模型核对，当太阳高度角超过15°时，无相邻建筑物或树木在屋顶平面上投下阴影。屋顶勘测和设备背包是本研究中唯一使用的现场数据；发电机组的燃料消耗量取自制造商数据（第2.3节），且光伏系统尚未存在。2.3. 参考案例：现有柴油供应
该学校由一台20 kVA、功率因数为0.8的发电机组供电，其连续运行额定功率为16 kW。该机组在教学日的8个占用小时内运行，其余时间关闭。未获取该机组的燃料消耗数据，因此其消耗量参考了基于相同Perkins 404A-22G1发动机制造的20 kVA连续额定机组的制造商数据[42,43]。这些机组在额定功率的100%时，燃料消耗量为5.3至5.4 L/h，在75%负荷时为3.9至4.0 L/h，在50%负荷时为2.9 L/h。两份数据表的一致性误差在0.1 L/h以内。燃料消耗量遵循Skarstein和Uhlen的双系数公式[表2. Fuel consumption follows the two-coefficient form of Skarstein and Uhlen [−1−1−1−144],
F = A Prated + B Pout
其中F为每小时升的体积消耗量，P为额定输出，以及P为瞬时输出。对六个制造商数据点进行最小二乘拟合，得出A = 0.0245 L h每千瓦额定功率，空载消耗量为0.39 L h，以及B = 0.306 L kWh，均方根残差为0.09 L h在半读档以下，该曲线为外推值，这一点至关重要，因为该机组的平均读档系数为0.41。制造商数据描述的是测试中的新机组，而低负荷、老旧机组的实际耗油量则超过了这些数据[ratedout−1−1−1−16]，因此在计算中考虑了磨损机组的情况，即在每个负载下消耗量增加25%。机组参数以及整个成本分析中使用的两种燃料价格列于Table 2.
分析采用了两个柴油价格区间，其中较低的价格为伊拉克政府指导的加油站价格，249伊拉克第纳尔/升或0.19美元/升于2026年8月[−1−145]. 国际成品油平价（即消耗柴油对国家的机会成本）取值为0.75美元/升结果既以单一数值形式报告，也以价格的连续函数形式报告。管理价格反映了购买燃料的机构（学校或其管理部门）的财务视角。平价价格反映了国家的经济视角，对国家而言，补贴是一种转移支付，而柴油的价值按其机会成本计算。两种视角均采用相同的6%实际贴现率。柴油供应的成本核算与光伏系统采用相同的生命周期基础，包括整套设备的资本成本、运行20,000小时后的更换成本、燃料、润滑油以及维护费用（−1第2.7节).
表2。柴油基准案例参数。2.4. 读档模型
需求未进行计量。连接负荷是根据现场勘测期间获取的设备背包建立的，该背包记录了每种设备类型的铭牌额定值和数量，并根据学校时间表分配了每日运行时间。现场未记录运行数量；发电、调度、燃料使用、成本和排放均通过模拟得出。每日能源需求和连接功率源自
Ed=11000∑iPi Ni hi
Pinst=11000∑iPi Ni
其中P是i型电器的额定功率（单位：瓦特），N为数量，h为每日运行小时数。背包以iii表3以及表4中的运行日历。连接负荷为9.92 kW，包括室外照明，冷却季节设计日需求为85.28 kWh，其中空调占56.3%。小时模型中达到的同时峰值功率为9.50 kW。
表3。案例研究建筑的设备背包，源自审计第2.4节.
表4。年度运行日历及按日期类型划分的每日能耗。
经审计的每日小时数确定了每类设备的能耗，但未确定其时间分布，因此在教学日应用了每小时利用率曲线。每条曲线均经过归一化处理，以确保该类别保持审计的等效满负荷小时数。照明、风扇和显示屏的运行遵循07:00至17:00之间的占用情况，在员工到达和清洁结束的第一和最后一小时内部分使用。在制冷日，空调功率从07:00的额定功率40%逐渐升至午后早些时候的95%，以适应环境温度；在供暖日，相同的设备在建筑最冷的早晨运行。冰箱在温暖的占用时段运行负荷为0.93，其他时段为0.78，从而保持其20个等效小时。假设每年每天18:00至次日06:00都有四盏40瓦的室外安防照明灯运行。生成的每小时曲线显示在第3.1节. 占用时间窗口遵循学校作息时间，08:00至16:00分为两个班次，工作人员07:00到岗。冷却曲线遵循昼夜温度循环，在午后达到峰值（图3b）。八个等效小时假设在最热的教学月份中，三台分体式空调在占用期间接近额定输入功率运行，这与在类似气候条件下空调学校的报告一致，在这些学校中，制冷占用了大部分电力使用[30]。因为这些时间表是判断而非测量，空调运行时间、制冷季节长度和年需求量各不相同，第2.9节.
单一的设计日无法代表整个学年。因此，定义了四种日类型，并将其映射到伊拉克从9月中旬到6月中旬、共197个教学日的学年日历上。制冷日（指9月、10月、4月、5月和6月的教学日）消耗全部85.28 kWh，其中包括1.92 kWh的室外照明。12月、1月和2月的供暖日消耗61.28 kWh，其差异在于相同分体式空调以逆向循环运行4小时而非8小时。11月和3月的温和日消耗3728 kWh，且不进行室内空调调节。在168个非教学日中，仅运行制冷和室外照明，消耗10.72 kWh。按日历汇总得出年需求量为15,049 kWh，而若将设计日应用于全年每一天，则需求量将达到31,127 kWh。2.5. 太阳能资源与阵列模型
每小时平面辐照度直接取自PVGIS-SARAH3系列，该系列解析了倾角为30°且正对南方的平面上的直射、天空散射和地面反射分量，并考虑了地形地平线[40]。这些数值以协调世界时每小时过9分钟的时间点给出，已转换为当地时间（UTC+3）并插值到每小时的中点，以便与每小时的读档对齐。参考年份取自PVGIS典型气象年所选年份的每个日历月，而2005年至2023年的19个日历年则承载了第2.9节中的年际变率。参考年份交付了2279 kWh m−2到达阵列平面，比Solargis长期值高出3.2%，峰值为1092 W m−2，每日面内辐照量范围为0.59至8.29 kWh m−2 (图3b)。在19年间，年面内辐照量在2135至2317 kWh m之间波动−2，变异系数为1.9%。
在仅有月度数据的情况下，每小时辐照度通常由月度总量合成。本文测试的方法将每日晴空形状乘以一个日间晴朗度乘数，该乘数取自变异系数为0.22的有界对数正态分布。随后，每小时辐照度被限制在晴空上限，并对序列进行重归一化以匹配月度总量。十九年中的每一年都根据其自身的月度总量进行了合成，使用不同的随机序列重复十次，以及调度第2.6节在合成序列和实测序列上均进行了运行。月度总量在设计上是一致的，年交付和削减能量的误差分别在2.8%和0.8%以内。可靠性则不然。实测年份平均包含17.2天，其月平均辐照度不足一半，这些沙尘和云层事件在图3c中清晰可见，而合成年份仅包含0.2天。独立系统的平均未满足能量占需求的4.49%（实测序列）和1.80%（合成序列）（图3d). 将云量变率提高到0.28，这能重现实测的日间变异系数，但合成数值仅上升至2.35%，因为多日事件是持续性问题而非方差问题。因此，基于月平均值合成的序列虽能满足能量产量的需求，却会低估该站点的读档损失约两倍，下文仅使用实测序列。
电池温度是从标称运行电池温度模型中获得的，并针对靠近屋顶安装的情况增加了惩罚项，
Tcell=Tamb+ΔTroof+GPOA NOCT−20800
NOCT = 45 °C 且 ΔT= 3 K。全年的辐照加权平均电池温度为55.3 °C，在数据表功率温度系数为−0.35% K 的情况下，平均热损失为10.6%y年的直流输出为roof−1
Pdc=minPdc,0, PmpptmaxPdc,0=PSTCGeff1000(1−LIAM)(1−Lsoll)[1+γ(Tcell−25)](1−Lmm)×(1−Ldc)ηmppr(1−LLlD)[1−d(y−1)]Geff=Gb(1−sb)+Gd(1−sd)+Gr
其中G是行间阴影后的有效面内辐照度，s和s是直射和天空散射辐照度的阴影比例。输出受限于两个充电控制器的额定电流，即51.2 V下2 × 150 A或15.36 kW。每行在高度方向上安装一个模块，长边水平放置。第二至第四行斜边高度的阴影比例根据太阳位置每小时计算一次[effbd47]，轮廓角和行间距。由于每个模块的三个旁路子串沿其长边布置，阴影行上的光束辐照度以三分之一为步长递减。由于前排的遮挡，同一排上的天空散射辐照度降低了1.3%。在参考年内，阴影在204个冬季早晚时段中消减了0.56%的直流输出，控制器限制削减了2.3 kWh。损失项及其来源列于表5。污垢问题值得特别说明，因为它是该场地最特有的损失项。海湾地区和黎凡特地区光伏设施报告的污垢损失跨越了一个数量级：在阿拉伯联合酋长国，十五天清洁间隔的损失为4%；在阿曼，二十九天间隔的损失为9.5%；而超过十周间隔的损失则超过30% [48,49,50,51拉合尔和伊朗电厂的报告速率相当[52,53。阿拉伯地区站点建议每周清洁一次[54。此处假设每月清洁一次，年平均积尘损失设定为8%，并在敏感性分析中分别采用4%和15%的数值。
表5。应用于阵列模型的损耗链，包含采用的数值及其依据。
交流输出基于94%的离网逆变器效率（按部分负载运行加权计算）。光伏阵列由36块单面单晶PERC组件组成，每块组件功率为540 Wp，尺寸为2256 × 1133 mm，效率为21.1%，其电气数据取自代表性制造商数据表[55]。它们被布置为四组并联串，每串九块，在92.0 m范围内提供19.44 kWp的功率2模块区域，每串光伏组件安装在固定于平屋顶、倾角为30°的热浸镀锌钢架上，形成一行。四行光伏组件东西向排列，间距为3.10米，确保在太阳高度角超过15°时，每行都不会被前一行遮挡阴影。它们共占用211平方米的屋顶面积（2b，图2表6）。不计入背面增益。). No rear-side gain is credited.
表6。数组与存储配置，以及参考年份的存储容量-可靠性交易。2.6. 存储容量规划与调度
模拟系统和计算步骤如图所示图4储能容量是根据模拟而非假设的自主运行时间来确定的。调度在逆变器/充电器的直流母线上进行。每小时，光伏阵列的输出首先应用于同时运行的负载，通过逆变器以其效率进行供电。任何缺口都将从电池中提取，在放电功率限制范围内，直至电池管理系统设定的最低荷电状态限制。任何盈余将在充电功率限制内为电池充电，直至充满，剩余部分则被削减。在独立运行模式下，剩余的缺口将被记录为未满足需求。在混合运行模式下，现有的机组会启动并为其供电，跟随负载变化但绝不会低于其额定功率的25%；在这一最低功率下高于负载的输出将为电池充电，前提是电池有剩余容量和充电功率。荷电状态的演变如下
SOCh=SOCh−1+ηch Pchh Δt−Pdish Δtηdis0≤Pch(h),Pdis(h)≤cEnom,SOCmin≤SOC(h)≤SOCmax
其中P和P是直流侧的充放电功率，c是模块的连续C倍率，0.5小时或每个模块7.17千瓦，以及E是额定容量。充放电效率均为95%往返值的平方根，且荷电状态保持在额定容量的20%至100%之间。两台10 kW逆变/充电器超过了9.50 kW的峰值负载，因此其功率额定值不受限制。可靠性以两种方式表示：作为供电损失概率，即未满足的年度需求能量占比；以及作为基于时间的负载损失概率，即任何负载未得到满足的小时数占比。chdis−1nom
LPSP=∑hEunmeth∑hEloadh, LOLP=18760∑hδh
其中δ(h)表示在有未满足读档的小时内为1，否则为0。由于制冷和室外照明持续运行，全年的每一小时都有读档，因此时间基准为完整的8760小时。容量配置采用枚举法而非优化算法。在参考年内，模拟了由1至8个机架模块组成的电池组，每个模块容量为280 Ah，电压51.2 V，能量14.34 kWh。设计标准是独立运行时LPSP不高于5%，从而使光伏阵列和电池单独承担至少95%的年需求量，其余部分由备用系统承担。1%的标准将需要10个模块，与所选电池组规模相同，即5倍的规模（第3.3节）。由于基于单一年份评估的标准无法反映跨年份的分布情况，因此在十九个日历年内重复进行相同的测试第2.9节并且每个候选电池组的可靠性以分布形式报告。性能以参考收益率Y，最终收益率Y报告，以及IEC 61724-1的性能比，rf
PR=YfYr
图4。模拟系统与模型：（）包含组件额定值和混合设计备份集的单线图；（）计算流程图，包括电池容量计算循环和混合调度。b) calculation flowchart, including the battery sizing loop and the hybrid dispatch.
全文区分了两种性能比率。潜在性能比率使用阵列可能提供的所有能量；交付性能比率仅使用读档实际消耗的能量。对于受读档限制的独立系统，后者是具有实际意义的数值，两者之间的差异则衡量了弃电量。2.7. 生命周期成本模型
成本按6%的实际折现率，折现至25年内的现值，
LCC=C0+∑t=1NCOMt+Crept1+rt−S1+rN
其中C为已安装的资本成本，C为年度运行维护费用，C为更换支出，S为使用寿命超过研究期的组件残值。平准化度电成本是将生命周期成本除以实际交付的折现能量，0OMrep
LCOE=LCC∑t=1NEt1+rt
资本成本在表7中列出，反映了2026年在拉马迪获得的报价。运营和维护费用设定为每年资本成本的1%，涵盖每月清洁、年度检查和小型部件。使用寿命遵循已发布的标准。组件、支架结构和电缆的寿命设定为30年，小型逆变器为15年，这些数值参考了IEA PVPS Task 12方法论指南[56]。对于磷酸铁锂储能，NREL的成本预测假设其寿命为15年[57]，而日历老化测试显示，其寿命从25°C时的约24年下降到40°C时的约9年[58]。针对拉马迪气候采用12年，并在敏感性分析中考虑8至15年。电池更换受日历老化而非循环次数支配：模拟吞吐量相当于每年142个等效全循环，相对于6000次循环的额定值，这意味着循环限制寿命为42年。在每个使用寿命结束时购买更换件，并在第25年为最后一批未消耗部分计入直线残值。模块输出因光诱导降解而下降1.5%，此后每年下降初始值的0.5%（表5）。柴油发电机的成本核算基于相同标准，润滑油占燃料体积的0.5%，维护费用为0.020美元/千瓦时−1。液冷柴油机组在20,000运行小时后更换，该数值为20,000至80,000小时范围的下限[46]；按每年1576运行小时计算，这意味着每12.7年更换一次新机组。在混合动力设计中，机组平均每年运行232小时，因此其20,000小时的寿命在研究期内未达到，按运行小时计算的直线残值在第25年计入。
表7。离网光伏系统的安装资本成本及生命周期成本模型的经济参数，2026年美元。
所有价格（含燃料费）均以实际价值保持不变，因此不考虑一般通货膨胀或燃料价格上涨。柴油价格的实际上涨将有利于光伏系统，而报告的盈亏平衡价格见第3.4节限制任何价格路径的影响。所有三个选项均被视为新安装设备，这是等式(9)的基础：柴油和混合动力选项包含发电机组的资本成本，而独立选项则不包含。因此，相对于柴油选项，独立系统的增量资本成本为6560美元，混合动力选项为12,560美元。由于该机组同时出现在柴油和混合动力选项中，它们之间的比较并不取决于该机组是新购还是已安装。折现回收期是指期权成本与柴油供应成本之间的累计折现差值发生符号变化的年份。同时报告的还有简单回收期、增量成本除以第一年节省金额以及内部收益率。这些期权提供的能量并不相同。柴油供应仅在发电机运行期间为读档提供服务；独立系统可满足95%的全负荷需求；而混合系统则能满足全部需求。因此，平准化成本按每千瓦时交付量进行比较，而净现值则比较总成本，从而对提供更多能量的期权产生不利影响。经济参数汇总于表7中列出. 残值仅计入电池、逆变器组以及研究期间购买的发电机组。虽然阵列、支架和电缆的30年寿命在第25年仍保留了其直线折旧价值的六分之一（1127美元），但并未计入其残值；若计入该残值，将使独立系统的平准化成本降低0.0014美元/千瓦时−1研究期间的资产价值随现金流入一同报告。第3.4节.2.8. 生命周期温室气体模型
功能单位是输送到学校读档的一千瓦时。评估遵循ISO 14040的生命周期原则[59] 但仅限于单一影响类别，即以百年全球变暖潜势表示的气候变化。这是一项生命周期温室气体评估，而非完整的多性向生命周期评估。光伏系统采用从摇篮到坟墓的评估方法。其背包涵盖了组件、逆变器、支架和电缆的制造，它们的运输与安装，逆变器更换，以及报废处理，这些数据均采用IEA PVPS Task 12的数据 [13]，以及电池的制造和更换。电池数据为从摇篮到大门，因此不包括电池寿命结束后的处理；该边界差异的影响在第3.5节中进行了界定。柴油参考值按从油井到车轮进行评估。燃料的开采、精炼和运输与燃烧过程一同计入，并加上了每个发电机组的制造过程。
柴油燃烧因子为IPCC 2006年第一级燃料费/柴油默认值：74,100 kg CO，10 kg CH和0.6 kg NO，每太焦耳净热值[24237]。这些因子在43.0 MJ/kg的净热值和0.840 kg/L的密度基础上转换为体积基准，并根据IPCC AR6百年全球变暖潜势进行加权，化石甲烷为29.8，一氧化二氮为273[其中A−1−138],
EFL=EFCO2+EFCH4 GWPCH4+EFN2O GWPN2ONCV ρ
得出2.693 kg CO-eq L在燃烧点。燃料供应链增加了0.60 kg CO-eq L的上游系数，得出3.293 kg CO-eq L从油井到车轮提供。发电机组的制造排放量按1250 kg CO等于每单位。2−12−12−12
光伏阵列及其系统平衡部分采用了IEA PVPS任务12的2023年数据更新，针对屋顶单晶系统，排放量为35.8克二氧化碳-当量千瓦时参考发电量为976千瓦时/千瓦峰值每年，服务寿命为三十年[2−1−113]. 将该强度作为存量重新表述为每千瓦峰值装机容量 1048 kg CO-eq。该存量数值与使用地的辐照度无关，直接适用于拉马迪安装项目。电池的碳足迹为每千瓦时装机容量 80 kg CO-eq，接近磷酸铁锂电池公布范围的中心值，敏感性边界为 54 和 107 kg CO-当量千瓦时[222−117,18,19]。对完整储能系统而非仅对电池建模的评估表明，外围设备，尤其是逆变器，占制造负担的三分之一或更多[60,61,62]。该周边排放已包含在本研究所用的任务12系统平衡数据中，不会重复计算。任务12数据中的运输配额反映了欧洲供应链，因此运往拉马迪的进口环节是单独计算的。运输的质量为1.43吨组件、电池架和逆变器。通过集装箱船运输11,000公里，排放量为0.016千克二氧化碳-eq吨km [2−1−163] 和 700 公里公路运输，假设排放量为 0.10 kg CO-eq tkm，而更换的电池组以相同方式运输，得出 0.42 t CO-等于。这占光伏负担的1.9%。由于它部分重复了任务12图表中的运输内容，因此该项被列为边界条件，未计入基准情况。使用寿命超过研究周期的物品负担，将按消耗比例分配，如同成本模型中的残值处理。因此，研究周期内包含30个模块年中的25个，25/12个等效电池组，25/12.7个柴油参考发电机组，以及0.29个混合动力备用发电机组。由此得出的强度和温室气体回收期为2−1−12
GHGPV=Emod+Ebatt∑t=1NEt
GPBT=Emod+EbattAannual
是被替代柴油供应的年避免排放量。背包数据和排放因子收集于 is the annual avoided emission of the displaced diesel supply. Inventory data and emission factors are collected in annual表8.
表8。生命周期燃料费清单与排放因子。2.9. 不确定性传播与敏感性分析
不确定性通过两个蒙特卡洛集合进行传播。第一个集合涵盖资源和需求。PVGIS的19个日历年分别与16种需求实现情况相结合。第一种是基础需求。其他需求则按从均值为1、标准差为8%的正态分布中抽取的因子进行缩放，该分布在±25%处截断，因为运行日历的第2.4节这是一种判断而非计量记录。304次实现中的每一次都在独立和混合运行模式下按小时调度并计算成本。第二组数据涵盖了技术和经济参数，这些参数是系统性的而非随机的。其中13个参数取自三角形分布，其极限值和众数在第3.6节中给出。这些因素包括安装成本、电池单价和使用寿命、逆变器寿命、运行维护、实际折现率、积尘、衰减、逆变器效率、发电机组资本成本、维护和运行小时寿命，以及制造商曲线与磨损机组边界之间的燃料消耗系数。在参考年中评估了400次抽样，并通过每个参数与平准化成本和净现值的Spearman秩相关性来衡量其贡献。结果以平均值、标准差以及第5至第95百分位范围报告。
七个参数在基础案例周围逐一变化。在成本方面，实际折现率的范围为3%至10%，安装资本成本为±20%，电池单价为±30%。电池使用寿命为8至15年；年需求量变化为±20%，污垢损失为4%至15%，组件衰减率为每年0.3%至0.8%。由于假设了负荷计划，因此增加了三个需求和储能参数。空调的等效满负荷小时数在±25%范围内变化，制冷日为6至10小时，供暖日为3至5小时。制冷季节延长至3月和11月，电池C倍率在0.3至1.0小时之间变化。−1。在排放方面，磷酸铁锂的碳足迹在54至107千克CO2-当量千瓦时−1之间变化，柴油上游排放因子在0至0.80千克CO2-eq L−1，并且发电机组的消耗在制造商曲线和磨损组界限之间切换。柴油价格被视为连续变量而非离散情况，并报告了两种生命周期成本重合时的盈亏平衡价格。2.10. 实现与可复现性
该模型以单个Python（V. 3.11）脚本形式实现，采用显式逐小时前向能量平衡；未使用迭代求解器，因此不涉及收敛容差。全过程时间步长为一小时，时间跨度为25年，每年8760小时。电池荷电状态初始化为上限值。参考年份为确定性年份。两个蒙特卡洛集合的伪随机序列分别采用20260902和20260903作为种子生成的序列，因此第三节中的所有图表均可通过脚本及其结果文件复现，这些文件已作为补充材料该模型通过三种方式进行了验证。将其特定发电量与Solargis该场地的数值进行了比较（第3.2节）。年度能量平衡涵盖了发电量、直接供应量、电池吞吐量和损耗、弃电量以及储能变化。合成序列法与实测的小时序列进行了对比测试（第2.5节）。生成式人工智能被用于语言编辑和起草绘图代码；它未被用于生成数据、结果或解释，作者已审阅并对所有内容负责。3. 结果与讨论
3.1. 需求
家电审计和日历模型得出的年度需求为15,049 kWh，月度分布如图所示图5a. 需求呈双峰分布，在5月和10月达到峰值1973 kWh（此时制冷系统在满员期运行），而在11月和3月降至879 kWh和917 kWh（此时无需空间调节）。在7月和8月，仅有冰箱和室外照明运行，需求骤降至332 kWh。空调占制冷设计日需求的56.3%，占年度总需求的39%。图5b按最终用途分解了制冷教学日需求，并且图5c比较了四种日类型。随着员工到达，需求在07:00上升，在教学时段内保持在8.3至9.1 kW之间（空调负荷随下午气温变化），并在16:00后下降。在供暖日，峰值移至上午。夜间，制冷和室外照明留下0.3至0.5 kW的基础读档。约73%的年需求落在08:00至16:00的发电机运行时间内，因此柴油发电机无法满足剩余需求。因此，读档的季节性特征几乎完全是制冷和供暖现象。应用8528 kWh设计日到所有365天，正如设计日容量计算方法所隐含的那样，会使年需求量高估107%。
图5。模拟需求：（）月度总量；（）按最终用途划分的制冷教学日；（）四种日类型的每小时负荷。) cooling teaching day by end use; (c) hourly load of the four day types.3.2. 阵列性能与能量平衡
19.44 kWp的阵列在应用读档限制前，每年可提供31,098 kWh的交流电能，比值为1600 kWh/kWp−1，相对于2279 kWh/m的参考发电量，其潜在性能比为0.702−2。该数值比Solargis报告的1718 kWh/kWp低6.9%，后者针对相同坐标下独立安装且倾角最优的系统[−1]。此处采用的8%积尘损失、3 K屋顶温度惩罚以及行间阴影在参考计算中均未考虑，且PVGIS参考年的平面资源比Solargis值高出3.2%。这一结果支持了损失链的41表5Table 5.
在独立运行模式下，仅有14,300 kWh的发电量能满足读档需求。图6a中的月度平衡图解释了原因。从3月起，每个月的可用发电量均超过需求，而在7月和8月，其超出量达到一个数量级，因此有17,706 kWh（即年直流发电量的53.5%）被削减。阵列利用率为46.0%，交付性能比为0.323。0.702与0.323之间的差距并非电站缺陷，而是以指数形式体现的学年与沙漠太阳能资源之间的季节性不匹配。a shows why. From March onward, the available generation exceeds demand in every month, and in July and August it exceeds it by an order of magnitude, so 17,706 kWh, or 53.5% of annual direct-current generation, is curtailed. Array utilisation is 46.0%, and the delivered performance ratio is 0.323. The gap between 0.702 and 0.323 is not a defect of the plant; it is the seasonal mismatch between a school year and a desert solar resource, expressed as an index.
图6。参考年运行：() 混合设计发电机的月度能量平衡；() 独立运行时电池荷电状态的日范围和平均值。b) daily range and mean of the battery state of charge in stand-alone operation.
限电并非阵列容量过大的证据。在保持电池容量不变的情况下，移除单个540 Wp组件会将独立LPSP提升至5.38%，超过5%的标准，因此已安装的阵列是满足该标准的最小配置。真正的约束条件并非年度能量平衡，而是1月、5月和10月教学日中，全负荷制冷或制热需求与低辐照度相遇的情况。因此，夏季封闭月份的盈余无法通过缩小发电机容量来消除。
在独立运行模式下，未满足的能源总量占年需求的4.98%，即749 kWh，分布在486小时内，基于时间的失负荷概率（LOLP）为5.55%。这些能源缺口主要集中在1月（310 kWh）、10月（210 kWh）和5月（117 kWh）。这些月份包含了参考年份中持续时间最长的低辐照期：1月上半月的阴天时段，以及5月和10月的沙尘事件。在这些教学日，每日平面辐照量降至0.6至2.7 kWh m−2之间，而建筑物的供暖或制冷负荷却处于满载状态（图3b). 在6月至9月期间或11月，没有未满足的能源需求。近一半的未满足能源需求（48%）发生在07:00至11:00之间，此时夜间基础负荷已将电池电量耗尽。
在混合运行模式下，现有发电机组弥补了这一缺口。在基准年份，该机组在49天内启动96次，在教学时段内提供了97%的输出，以4.5 kW的平均输出功率运行187小时，接近其4 kW的最小读档，消耗燃料费332升。在整个研究期间的平均值中，随着模块退化导致缺口扩大，该机组每年运行232小时，消耗燃料费409升，比现有供应的3812升减少了89%，可再生能源比例为93.1%。该机组的平均读档低于目前的水平，而实际消耗量超过了制造商的数值[6]；磨损组的边界第2.3节涵盖了该情况。3.3. 储能容量计算
图7a 给出了基准年份的能力/可靠性交易。在独立运行模式下，单个14.34 kWh模块会导致8.28%的负荷无法满足，且其7.17 kW的放电限制低于该年24小时内的9.50 kW峰值负荷。两个模块可将LPSP降至4.98%，符合5%的标准，并将基于时间的LOLP降至5.55%。此后收益急剧递减：需要十个模块（即所选电池组的五倍）才能达到1%，而八个模块仍会留下1.45%（）。不计入背面增益。）。这两个指标紧密相关，因为缺口是长而非浅的：当电池在黑暗的早晨耗尽时，整个读档将数小时无法得到供应。所选电池组标称容量为28.7 kWh，在80%放电深度下可用容量为22.94 kWh，对应于冷却设计日负荷下0.26天的自给能力。在独立系统设计中，通常约定为一天的自给能力，0.26天相比之下显得很薄弱。正是负荷使得较低的数值变得合理。约84%的用电量落在07:00至17:00的占用时段内，79%的输送能量由光伏阵列直接供应。因此，储能系统承担的是早晚高峰和夜间基础负荷，而非全天的需求。有必要直接量化白天的用电计划。将相同的每日能量均匀分布在24小时内，所选电池组的LPSP（负荷缺口概率）会从4.98%上升到21.5%，届时则需要五个模块才能满足5%的标准。因此，占用日与太阳日的重合使储能需求减少了一半以上。但这对于前文讨论的季节性不匹配问题毫无帮助。第3.9节，这需要数月而非数小时的时间，且任何实际的存储量都无法弥补。
图7。电池容量与混合配置：() 参考年份的独立LPSP和LOLP；() 304次模拟的LPSP，标注了满足5%的比例；() 混合能源平准化成本与可再生能源比例的关系。) LPSP over 304 realisations, labelled with the share meeting 5%; (c) hybrid levelised cost against renewable fraction.
模拟吞吐量为每年3259千瓦时，或142个等效全循环。相对于所选化学体系的6000次循环额定值，这意味着循环限制的使用寿命为42年，因此更换是由高温环境下的日历老化决定的，而非使用量。第2.7节基于此，采用的十二年间隔是保守的。充电功率限制在一年中16小时内生效，而放电限制则未生效，因此C倍率约束不会影响两个模块的结果。
参考年份的荷电状态显示在a中的月度平衡图解释了原因。从3月起，每个月的可用发电量均超过需求，而在7月和8月，其超出量达到一个数量级，因此有17,706 kWh（即年直流发电量的53.5%）被削减。阵列利用率为46.0%，交付性能比为0.323。0.702与0.323之间的差距并非电站缺陷，而是以指数形式体现的学年与沙漠太阳能资源之间的季节性不匹配。b中。其年平均值为82.9%，在教学日降至75.9%，在闭校日升至91.1%。电池组在76%的教学日恢复满电，并在5.5%的总小时数中处于20%的下限。它在44个教学日达到该下限，其中10月15天，1月12天，12月6天，而这些正是未供应能量的第3.2节出现。在夏季停工期间，银行的电量接近满载。只有隔夜基础负荷会消耗它。
单年满足的标准并不代表在实际运行中也能满足。通过对19年PVGIS数据和304种需求情景进行独立调度模拟（图7表6表9），所选储能系统的平均LPSP为4.75%，标准差为1.89%，第95百分位数为8.14%。因此，该储能系统在58%的情景下满足5%的标准；在基础需求下，其LPSP从2021年的1.95%到2006年的7.43%不等。增加三个模块可将满足比例从5%提升至84%，四个模块则提升至94%，其独立平准化成本分别为0.107和0.121美元/千瓦时−1而0.093美元/千瓦时−1对于两个模块，没有任何多达五个模块的电池组在超过三分之一的实现中达到1%的可靠性。因此，该站点的独立系统若要保证每年的固定可靠性目标，就必须大幅增加储能，这也是保留现有设备作为备用系统的主要理由。在混合运行模式下，燃料的年际波动再次显现：首年燃料消耗量在2021年为139升，2006年为498升，在304次实现中平均值为327升，第95百分位数为576升。
图7该混合系统在由2至5条弦和1至4个模块组成的16种阵列与储能组合中进行评估，每种组合的成本均基于生成集计算。当阵列规模在4条弦以内时，平准化成本随规模增加而下降，因为每增加一条弦都能替代燃料；而当模块数量超过1个时，成本会随之上升，因为模块的成本高于其节省的燃料成本。最经济的组合是4条弦配1个模块，其成本为0.112美元/千瓦时。在可再生能源占比为88.6%的情况下，所选设计的成本为0.120美元/千瓦时。可靠性达到93.1%，燃料消耗量减少40%，每年仅需409升（对比679升），且在燃料不可用时，独立备用系统的可靠性仍能保持在5%以上。五个单模块系统，每度电0.116美元以及92.2%的可靠性，将需要尚未进行勘测的屋顶面积。−1−1−1
表9。独立运行模式下，基于304次资源（PVGIS 2005–2023）与需求实现的可靠性与成本随电池组规模的变化关系。3.4. 生命周期成本
光伏系统的安装资本成本为12,560美元（表7中列出），或646美元/kWp−1（含储能和安装）。其中组件占32%，电池占27%，逆变器占19%。在独立运行模式下，按25年折现并考虑更换和残值，生命周期成本为16,784美元；对应353,219 kWh的终身交付电量，平准化成本为0.093美元/kWh−1。混合模式增加了发电机组及其维护费用，以及每年409升燃料，按管理价格计算，生命周期成本为23,141美元，在满足全部需求的情况下，平准化成本为0.120美元/kWh−1。表10将两者都分解为现值组成部分。对于光伏系统，运行和维护费用为1606美元，电池和逆变器更换费用为3531美元，第25年的残值收益为913美元。混合系统增加了6000美元的初始资本，并回收993美元作为残值，因为该系统在25年内仅使用了其运行小时寿命的29%。
表10。25年期、6%实际折现率下的生命周期成本比较，2026年美元。
该柴油参考机组在1576运行小时内年耗油3812升，发电量为10,433千瓦时。其比输出为2.74千瓦时/升−1平均负荷因子为0.41，运行小时内的平均油耗为2.42升/小时−1。按管理价格计算，该机组年运行成本为1047美元，其中燃料费724美元，润滑油费114美元，维护费209美元。柴油供应的生命周期成本在管理泵价下为22,212美元，在产品平价下为49,504美元，对应的平准化成本分别为0.167和0.371美元/千瓦时−1 (表10). 在考虑发电机组折旧的情况下，平准化成本上升至0.187和0.442美元/千瓦时−1.
柴油发电机基准代表了现有做法，即在教学日08:00至16:00运行，提供10,433 kWh的电力，占模拟需求的69%；早晚用电高峰时段、夜间和非教学日则无法供电。一个能提供全部15,049 kWh电力的同等基准则需要全天候运行该系统。那么在8760小时中的7468小时内，其运行负荷将低于额定功率的四分之一，平均负荷因子为0.11，每年消耗8040升柴油，单位能耗为1.87 kWh/L−1，并且每2.3年就需要更换一台新发电机。其平准化成本将为0.330美元/kWh−1按规定价格和0.228美元/千瓦时计算−1包含免费燃料。在规定价格下，其生命周期成本将比混合动力车型高出40,266美元；在免费燃料情况下，则高出21,686美元。因此，无论燃料价格如何，混合动力车型都比全方位柴油供应更便宜。该设备并非持续轻载运行，且整个过程中均保持现有实践作为参考；全方位服务案例则从另一端界定了比较范围。
图8将对比放在同一坐标轴上。按每千瓦时交付量计算，无论燃料价格如何，独立系统都比柴油更便宜，因为即使燃料免费，发电机组的资本、更换和维护成本也为0.097美元/千瓦时−1。混合动力系统在燃料价格高于0.054美元/升时更便宜−1，而在管理价格下，其成本比柴油低28%。总成本则呈现出不同的情况，因为不同选项提供的能量总量不同。现金流在图9在管理价格下，该独立系统折现回收期为9.6年，简单回收期为7.1年，内部收益率为13.7%，净现值为5428美元。在产品平价条件下，折现回收期为2.4年，净现值为32,720美元。同样搭载该套件的混合动力车型，在管理价格下的净现值为-929美元，内部收益率为5.3%（相对于6%的折现率），因此在25年内无法回收成本。在产品平价条件下，其回收期为5.5年，回报为23,572美元。基于总成本的盈亏平衡燃料价格为0.079美元/升−1独立系统为0.211美元/L−1对于混合系统而言，其成本大约与现有供应在加油站价格下的成本相当，但每年能多提供4616千瓦时，且全天候及非教学日均可运行。按比例折算为该系统目前供应的能源，其生命周期成本为16,043美元，而现有系统为22,212美元。折现率会影响结果的数值。在3%和10%的折现率下，按管理价格计算，混合系统的净现值分别为3956美元和-4601美元，而独立系统的净现值则分别为9802美元和1939美元。各组件的使用寿命和更换计划如下所示图9b. 电池组分别在第0年、12年和24年购买，逆变器在第0年和15年购买；参考组在12.7年后更换，而混合系统的备用组仅使用了其寿命的29%。到第25年时，最后一批电池和逆变器仍保留92%和33%的寿命，而阵列、支架和电缆仍保留其30年寿命的17%，但这部分不计入。
图8。独立系统、混合系统以及柴油基准系统相对于柴油价格的平准化成本。
图9。研究期间的经济性：（）在两种燃料价格下相对于柴油基准的累计折现节省；（）部件使用寿命与更换情况。b) component service lives and replacements.3.5. 生命周期温室气体
柴油供应排放了316.3吨CO2-eq，其中81.1%来自燃烧，18.1%来自燃料供应链，0.8%来自发电机组制造（图10a）。按交付能量计算，为1213克CO2-当量千瓦时−1。仅燃烧一项就占984克CO2-当量千瓦时−1，处于700至1000克二氧化碳的上限2-当量千瓦时−1通常用于柴油发电。原因是确定的低读档系数第3.4节：在2.74千瓦时每升−1该装置在3.0 kWh L以下运行−1其曲线在75%至满负荷之间给出的数值。磨损装置的界限为1514克CO2-当量千瓦时−1.
图10。生命周期温室气体排放：() 按贡献划分的25年总计；() 每千瓦时的强度。b) intensity per kilowatt-hour.
光伏系统在同一时期排放了21.8吨二氧化碳2-当量，其中78.0%来自阵列和系统平衡部分，22.0%来自电池。在独立运行模式下，每交付千瓦时排放61.6克二氧化碳2-当量，而每发电千瓦时（包括弃电量）排放28.0克二氧化碳2-当量。第二个数值与高辐照度下晶体硅的统一文献数据一致[11,12,13]。第一个数值适用于供应方案的比较，两者之间2.2倍的差异是报告中弃电直接导致的成本第3.2节。混合动力系统增加了34.0吨二氧化碳2-当量燃料和设备制造，共计55.8吨二氧化碳2总计-eq和148克CO2-当量千瓦时−1。
与柴油供应相比，混合系统避免了10.4吨二氧化碳排放2每年相当于260.6吨，25年共260.6吨，强度降低了87.8%，且独立系统避免了11.8吨CO2-eq每年，降幅为94.9%。这些选项无法提供相同的服务。光伏选项每年提供14,300和15,049千瓦时，而发电机组仅覆盖10,433千瓦时。额外能源主要用于早晚使用时段、夜间制冷和室外照明，以及非教学日的供电。光伏系统的制造费用在混合运行模式下1.9年即可回收，在独立运行模式下1.7年即可回收。在考虑发电机组折旧的情况下，混合模式每年可减少13.6吨二氧化碳2-eq排放。
库存不共享单一边界：系统阵列和平衡系统采用从摇篮到坟墓的评估，电池采用从摇篮到大门，柴油供应采用从油井到车轮。电池占光伏系统生命周期负担的22%，占混合动力系统148克CO2排放量的12.7克。2-当量千瓦时−1每增加10千克CO2当量/千瓦时电池容量，混合动力系统的排放强度就会增加1.6克CO2。2. 相当于80公斤二氧化碳一半的生命终结负担2-当量千瓦时−1-当量千瓦时2制造足迹（此处采用的是上限值而非已公布的数值）将使混合动力车的排放强度提高到约155克二氧化碳−1-当量千瓦时2并使其相对于柴油车的减排幅度降至87%。而回收利用则可能带来碳信用，从而使结果向相反方向移动。相对于全服务柴油车的基准值−1第3.4节，柴油车的排放强度约为1790克二氧化碳-当量千瓦时2，因此现有实践的参考值低估了减排量，而非高估。−1, so the existing-practice reference understates the reduction rather than overstating it.3.6. 主要结果的不确定性
通过第一组集合的304次实现传播资源和需求的可变性，得到了表11中的分布。在独立运行模式下，年交付能量为14,312 ± 903 kWh，平准化成本为0.093 ± 0.006 USD kWh−1。在混合运行模式下，平准化成本为0.119 ± 0.007 USD kWh−1，第5至第95百分位范围为0.109至0.130 USD kWh−1，全程低于柴油数值，且第一年可再生能源比例为94.6 ± 2.1%。该混合系统避免了10.7 ± 0.5吨二氧化碳2-eq per year, so the environmental conclusion holds at every point of the distribution.
第二个集成对成本结果的移动幅度大于第一个。在对13个技术和经济参数进行400多次抽样后，混合能源的平准化成本为0.128 ± 0.016 美元/千瓦时且低于柴油的数值0.169 ± 0.012 美元/千瓦时在99.5%的抽样中为正值。在管理价格下，其净现值为−1883 ± 2424美元，在21.5%的抽样中为正值；在产品平价下，所有抽样结果均为正值。在管理价格下，独立系统的净现值在97.3%的抽样中为正值。折现率对两种结果均具有主导作用，与混合系统的平准化成本的秩相关系数为0.86（−1−1图11b)，随后是电池价格、发电机组资本、运行维护和安装成本。对于混合系统的净现值，发电机组的运行小时寿命和燃料系数与电池价格同样重要，因为它们决定了基准供应成本。
表11。主要结果的蒙特卡洛不确定性，基于304次资源需求实现和400次技术与经济参数抽样。
图11。混合设计敏感性分析：（）平准化成本的一次敏感性分析；（ %%）技术和经济参数与平准化成本及净现值的秩相关系数。每年相等，因此环境结论在分布的每一个点上都成立。b) rank correlation of the technical and economic parameters with levelised cost and net present value.3.7. 灵敏度
图11a对影响混合系统平准化成本的参数进行了排序。实际折现率起主导作用，将其从0.093美元/千瓦时−1在3%时，变动至0.160美元/千瓦时−1在10%时。年需求量位居第二，其影响与直觉相反。需求量减少20%会将平准化成本提高至0.144美元/千瓦时−1，因为发电量利用率降低；而需求量增加20%则会将其降低至0.111美元/千瓦时−1但使年燃料消耗量增加到1000升。资本成本随之而来，约为±0.012美元/千瓦时。−1对于20%的变动，电池价格和电池寿命的影响。空调运行计划是需求模型最依赖的假设，当等效满负荷小时数变化±25%时，年需求量在13,573至16,525 kWh之间波动。其对成本的影响适中，为0.116至0.129美元/kWh−1对于混合系统而言，但其对可靠性的影响并非如此：独立系统的LPSP在3.29%和7.76%之间波动，需要两到五个模块才能将其控制在5%以内。将冷却季节延长至3月和11月，会使需求量增加到17,113 kWh，独立系统的LPSP升至5.83%，混合系统的年燃料消耗量增至560升。因此，计划中的误差主要表现为混合系统设计中的燃料消耗增加，以及独立系统中的未供应能量。积尘和降解对成本的影响几乎可以忽略不计，因为阵列在一年中的大部分时间里都被限制出力，但积尘会将独立系统的LPSP从4.43% 亏损 4% 至 15% 时为 6.25%。电池 C 倍率在 0.3 到 1.0 小时之间−1使得两个模块的结果保持不变。
在排放方面，结果是稳健的。将磷酸铁锂的足迹在整个已公布的范围内进行变化，混合动力汽车的减排量在10.36至10.49吨二氧化碳当量之间波动，%% 其排放强度在144至152克二氧化碳当量之间波动%% 。完全移除柴油上游因子会将减排量从10.4吨二氧化碳当量%% 降低至8.4吨二氧化碳当量，而0.80公斤二氧化碳上游因子则会...2-当量千瓦时2-eq L−1将其提升至11.1。置换发电组的状态对数值影响最大：在磨损组的限制下，避免的排放量为13.6吨二氧化碳2-eq/年。敏感性分析结果汇总于2表12−1 raises it to 11.1. The condition of the displaced generating set alters the magnitude most: with the worn-set bound, the avoided emission is 13.6 t CO2-eq per year. The sensitivity results are summarised in Table 12.
表12。主要结果的单因素敏感性分析。3.8. 与已发表系统的比较
表13将当前结果与已发表的伊拉克及邻国光伏电池和光伏-柴油研究进行了对比，并纳入了两个该地区以外的学校系统。该混合系统的平准化成本为0.120美元/千瓦时−1接近Al-bayati等人[−1]关于伊拉克微电网优化的0.123美元/千瓦时20以及独立系统的0.093美元/千瓦时−1位于其下方。两者均低于0.245至0.257美元/千瓦时−1在伊朗和阿曼的混合农村供应系统中报告为[64,65]以及西岸社区系统的0.285美元/千瓦时−1[32]，高于巴格达并网光伏电池家庭系统所发现的0.077美元/千瓦时[−1]。这些比较是在不同的安装环境之间进行的，并且24表13因此提供了每项研究的供电背景和年份。并网或支持电网的系统[]以受监管的电价从网络获取备用电源，且几乎不需要储能，因此其成本低于离网系统。微电网[22,24]将固定成本分摊到比学校负荷大两到三个数量级的村庄负荷上。孟加拉国和埃塞俄比亚的学校系统[20,64,65] 是针对无网络偏远地区优化尺寸的混合系统。剩余分布的大部分是装备价格效应，因为自大多数研究估算成本以来，模块和磷酸铁锂的价格已大幅下降，因此早期的数字应按其对应年份的价格来解读。在管理价格下，独立系统的折现回收期为9.6年，在产品平价下混合系统为5.5年，这接近西岸案例的7.6年，高于阿曼混合系统的3.0年[25,26]. 伊拉克家庭系统的最佳情况可达3.6年 [32,64]. 1600 kWh kWp 的特定发电量5处于1514至1745 kWh kWp 之间−1，这是伊拉克已安装系统报告的数据 [−1]。在炎热气候地区的学校研究中，空调占沙特政府学校终端用电量的80% [10]. 相应的占比为制冷设计日期的56.3%和年度总量的39%，因为空间调节仅在教学年度的部分时间运行。30]. The corresponding shares here are 56.3% of the cooling design day and 39% of the annual total, because space conditioning runs for only part of the teaching year.
表13。本系统与已发表的伊拉克、中东及机构负荷的光伏电池和光伏-柴油研究的对比，包含每项研究的供应背景和年份。
储能和排放更难比较。引用的研究中很少有报告每单位阵列的储能量，报告交付排放强度的更少。最接近的类比是Seward等人[66]的约旦离网供应，当仅靠电池平衡时，该系统会削减52.5%的光伏发电量。这一数字与本文发现的53.5%接近，并且支持将弃光视为完全可再生独立供应的结构性特征，而非容量设计错误。阿曼混合系统在可再生能源比例为70%时，可减少70.4%的温室气体排放[64]，且巴格达家庭系统避免了5.3吨二氧化碳排放2每年[24]。此处对应的数值为可再生能源比例93%时的87.8%，以及混合系统每年10.4吨二氧化碳排放2-eq。需求分布在全年的系统报告的利用率远高于此处发现的46.0%，这是学校校历而非设计所致。
交付的温室气体强度为61.6克二氧化碳2-当量千瓦时−1独立系统的数值高于35.8克二氧化碳2-当量千瓦时−1任务12屋顶参考值[13]的数值，但低于98至149克二氧化碳2-当量千瓦时−1Mehedi等人针对配备锂离子储能的大型光伏系统报告了[14]。这两项对比都具有参考价值。该系统位于仅模块参考值之上，因为它配备了电池，并且削减了超过一半的输出。它位于储能密集型公用事业案例之下，因为电池相对于阵列而言较小，每安装千瓦峰值仅配备1.47千瓦时的储能，而公用事业研究中则配备了多小时的电池组。完全不带储能的并网系统在这两项指标上都更低。墨西哥城的一个3 kWp多晶硅安装项目达到47克CO2-当量千瓦时−1在0.75的性能比下[67]。Deng等人[68]和Smith等人[69]评估的公用事业规模电站的数值更低，因为系统平衡部分分布在规模大得多的发电机上。对于西非的离网微电网，配备电池的纯光伏供电评估值为100至160克二氧化碳2-当量千瓦时−1以及柴油供应为1140克CO2-当量千瓦时−1 [35]。独立系统位于第一区间下方，因为其电池相对于阵列较小，而混合动力系统在148克CO2-当量千瓦时−1，则位于该区间内。柴油基准位于第二区间上方，这是由于该套件的低负荷因子所致。3.9. 季节性错配与盈余
该应用的一个结构性特征是，在辐射量最高的两个月里，资源与需求存在相位差。7月和8月贡献了6026千瓦时的发电量，而需求仅为665千瓦时，任何调度规则和合理的储能容量都无法将这些能量转移到学年期间。这一结果影响了所有其他指标：交付的性能比、交付的排放强度以及平准化成本，均因利用率的倒数而下降。
这部分盈余有三种用途值得探讨，且都不需要扩大阵列规模。第一是夏季使用：考试中心、教师培训和成人识字班在伊拉克学校假期期间已经运行，可以安排在配备光伏供电的建筑内。第二是社区服务：为家庭电池和设备充电提供计量插座，可将削减的能源转化为收入。在0.10至0.20美元/千瓦时的−1社区发电机组有效电价[10]，每年削减的17.7兆瓦时价值1771至3541美元。这相当于系统在平价定价下所替代的柴油成本。电网出口是第三种且最具价值的方案（在存在连接的情况下）；它完全消除了储能需求。这种配置超出了本文采用的独立系统边界，但对于有供电馈线的建筑来说，这是显而易见的扩展方案。3.10. 财务与经济视角
在所有考察案例中，就排放而言，更换设备都是值得的；就成本而言，则取决于谁支付燃料费用以及价格如何，这正是财务视角与经济视角之间的区别第2.3节。从财务角度看，面对管理价格的学校负责人会发现，独立系统在9.6年内（按折现计算）即可收回其相对于新系统的6560美元额外成本。而保留原有系统的混合系统，25年内的成本与它所改进的柴油供应成本大致相当。从经济角度看，同样的柴油对国家的机会成本约为0.75美元/升−1。在此基础上，混合系统每栋建筑可带来23,572美元的回报，5.5年即可回本，而独立系统则可带来32,720美元的回报。
盈亏平衡燃料价格揭示了结果。每千瓦时，即使燃料免费，独立系统也比柴油更便宜，因为发电机组的资本、更换和维护成本本身就高达0.097美元/千瓦时−1。混合动力系统也承担这些成本，因此其每千瓦时的优势仅在燃料价格超过0.054美元/升时才显现−1，而在总成本上仅在超过0.211美元/升时才显现−1，比加油站价格高出11%。因此，在政府定价下，补贴决定了混合动力系统额外提供的服务及其89%的燃料减省是需要支付小额费用还是能带来小额节省。
成本结果表明障碍在于资本而非运营，尽管这一障碍是根据公共预算的组织方式推断出来的，并未由模型本身进行测试。光伏系统一次性需要12,560美元，而柴油运营成本为1047美元，分摊至全年。伊拉克的公共部门预算将两者分开：资本由中央不定期拨付，而燃料则是可循环的运营支出。如果这一解读成立，那么接下来的工具将是融资工具而非电价改革。资助该项目的理由基于经济视角，因为按油价计算，混合动力系统的财务回报接近于零。单栋建筑的费用金额较小，这使得跨多栋建筑的集中采购成为一种可行的手段，但需遵循下文所述的逐栋建筑评估标准第3.11节. Tahir等人[5]和Ali等人[10]对伊拉克家庭的研究从需求侧得出了相同的结论，即只要买方面临的是反映实际交付价格而非补贴电价，光伏供应就是可行的。3.11. 局限性
结果存在五个局限性。第一个是关于资源。小时序列数据源自卫星，PVGIS-SARAH3捕捉的是网格单元尺度的沙尘和云事件，而非其在组件上留下的积尘影响，后者以恒定的年损失率表示。由于该系统尚未建成，其性能是通过模拟获得的，具体发电量与Solargis该场地的数值进行了比对（第3.2节）。需求模型基于家电背包和假设的占用时间表，而非基于计量消耗。辐照度是用于测试合成方法的实测卫星序列（第2.5节），但需求没有对应的计量数据，因此其不确定性通过第2.9节的需求抽取和的时间表敏感性进行传递。第3.7节而不是移除。制冷和制热月份的分配是一种判断，需要一年的计量数据来确认15,049 kWh的年用电量和小时负荷曲线，包括假设的室外照明。柴油消耗量取自同额定值机组的制造商数据，而非对安装机组的实测值。在半负荷以下，该曲线为外推值，尽管磨损机组的上限涵盖了更高的现场消耗量，但现有机组的真实燃料消耗量仍不明确。混合调度是一种具有最小负荷的负荷跟踪规则，且在机组为电池充电时不会进行优化。温室气体评估仅针对气候变化。酸化、颗粒物形成和矿产资源枯竭未被纳入考虑，对于涉及电池制造和建筑内柴油燃烧的比较，这些类别未必会以相同的方式对各选项进行排名。
最后一个局限性是外推。研究结果仅描述了一栋建筑，并未在此外推至安巴尔省的学校建筑群。学校在连接负荷、冷却装备、班次模式、屋顶面积和朝向方面存在差异。削减、储能和成本结果取决于阵列与需求的比例以及负荷的季节性特征，而这些因素在不同建筑间均存在差异。省级估算需要涵盖这些变量的已审计建筑样本。第2节适用于每个案例且无需修改，因为其唯一输入为家电背包、日历、发电机组的额定值以及场地坐标。4. 结论
本研究旨在确定，无论是独立运行还是由现有发电机组提供备用，光伏电池供电系统与拉马迪一所小学现有的柴油供电系统相比，是否能降低成本并减少排放。在基准年份，一个装机容量为19.44 kWp、储能容量为28.7 kWh的阵列可独立满足15,049 kWh年用电需求的95.0%，在2005至2023年间则能满足92.6%至98.1%的需求。若要实现1%的缺口目标，则需要五倍的储能容量，因为电力短缺通常发生在持续多日的沙尘和云层事件之后。以现有发电机组作为备用时，可满足全部用电需求，发电机组年运行时间为232小时，燃料消耗量下降89%，供电排放强度从1213 g CO2/kWh降至148 g CO2/kWh。2-当量千瓦时−1基于月平均值合成的小时序列使表观读档损失减半，因此在这种气候条件下，储能容量规划需要小时数据。
混合动力系统供电价格为0.120美元/千瓦时−1独立系统供电价格为0.093美元/千瓦时−1，而按管理价格计算的柴油供电价格为0.167美元/千瓦时−1。就总成本而言，混合动力系统在0.211美元/升时达到盈亏平衡点−1其提供的能源比目前的汽油机多出44%，且在产品价格持平时，25年内可回收23,572美元。对于按泵价付费的买家而言，混合动力车几乎实现了成本中性；而对于放弃燃料机会价值的政府来说，这显然是利好的。资金获取可能是阻碍其普及的一个潜在约束，但本次未对此进行评估。通过计量学术年，将能最终确定剩余的需求和燃料假设。
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