综述：以太阳能为中心的综合多能源系统：技术与应用综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Solar-centered integrated multi-energy systems: A review of technologies and applications

　　

张若琳|吴玉婷|李晓琼|杜彦军|朱婷婷|王瑞龙

国家用户侧储能创新研发中心，北京工业大学，北京，100124，中国

摘要

太阳能的固有间歇性和随机性对持续电力供应的稳定性构成了重大挑战。为了解决这些脆弱性问题，本文对以太阳能为中心的多能源耦合系统（MECS）进行了全面回顾。从技术路径的角度出发，系统地将三种主要范式进行了分类：以光伏（PV）为主导的电力转移模型、以聚光太阳能（CSP）为中心的热电协同模型，以及涉及氢能、地热能和生物质能的混合集成模型。在优化方面，本文评估了人工智能（AI）和分布式鲁棒优化（DRO）在实现多时空尺度上的源负荷平衡方面的最新应用。通过工程案例研究，分析了系统在三种关键场景下的性能：大规模可再生能源基地的电网稳定、工业园区的运营脱碳，以及极端环境（如高海拔寒冷地区、沙漠和岛屿）下的离网生存能力。尽管在减少碳排放和成本效率方面具有优势，但在转换效率和复杂协调控制方面仍存在瓶颈。与描述性综述不同，本研究通过建立太阳能MECS的三方范式框架，提供了定量的、特定场景的比较分析，揭示了在不同约束条件下的技术适用性边界。最后，本文提出了一条结合数字孪生技术和改进电力市场机制的未来路线图，为构建有弹性的下一代能源系统提供了理论基础。

引言

长期以来，化石燃料一直是支持社会经济发展的基础。然而，它们造成的日益严重的环境和气候问题迫使全球能源系统加速向低碳发展转型[1]。随着全球变暖威胁的加剧和《巴黎协定》目标的推进，建立高比例的可再生能源系统已成为当务之急[2,3]。在各种可再生能源中，太阳能因其丰富的资源、广泛的分布和低成本而脱颖而出，使其从辅助能源上升为未来能源架构的关键支柱[4,5]。国际能源署的数据证实了这一趋势：到2024年，累计光伏（PV）装机容量达到了约2.2太瓦，主导了全球可再生能源市场的增长。然而，全球经济仍然严重依赖石油，而中东地区的近期地缘政治动荡严重扰乱了全球能源供应链，凸显了以化石燃料为中心的能源安全的脆弱性。这些事件强调了加速大规模部署可再生能源系统的紧迫性，以减少对波动性化石燃料市场的依赖并提高能源独立性（见表1、表2、表3、表4、表5、表6、表7、表8、图1、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17）。

太阳能凭借其资源、环境影响和经济可行性方面的独特优势，成为低碳能源转型领域的焦点[64]。太阳能不仅可以灵活地转化为电力、热能和氢能等多种形式，还可以作为构建多能源互补系统的核心载体[65,66]。然而，资源方面的巨大潜力并不能掩盖应用方面遇到的挑战[67]。目前，大规模电网整合面临物理和经济限制：太阳能的固有随机性和间歇性可能导致严重的净负荷波动。这种现象在“鸭子曲线”现象中尤为明显，尤其是在光伏渗透率超过30%的电网中（例如加利福尼亚州独立系统运营商的数据）。在中午时分，大量的光伏注入会导致净负荷急剧下降（“腹部”），迫使传统热力机组迅速降低输出；而日落时太阳能输出的突然下降则会导致需求急剧上升（“颈部”）。这种极端的负荷变化率波动对电网功率平衡、频率稳定性和安全裕度构成了严峻挑战[68,69]。尽管发电成本持续下降，但支持储能的高成本和提升电池效率的需求仍然是实现系统全部效益的主要障碍[70,71]。因此，构建以太阳能为中心的MECS——利用多源协调机制来缓解发电侧的波动——已成为提高系统韧性和能源供应可靠性的关键方法（见图2）。

分布式能源系统通过利用负荷侧发电单元，实现了太阳能和风能等分散资源的本地消费和高效利用[72]。这种方法不仅减少了长距离传输损耗，还通过其模块化和分散化的特点提高了供应可靠性[73,74]。图3展示了分布式能源系统的关键组成部分和技术。通过多能源耦合提高分布式能源系统性能的核心机制在于整合互补能源形式（如电力、热能、冷却能、气体）与相应的转换和储能技术，以建立协同的集成能源系统[75]。主要优势包括：通过热电联产和热泵实现级联能源利用，提高整体系统效率；通过多能源转换和储能实现时空能量转移，以缓解可再生能源的波动[76]。MECS还可以采用优先考虑清洁能源消费的调度策略，确保低碳运行，在极端条件下为系统韧性提供关键支持。这使其成为构建安全、低碳和灵活的新电力系统的重要技术[77]（见图4）。

本文系统地总结了以太阳能为中心的MECS，对其在缓解随机波动、最大化可再生能源渗透率和实现灵活电网互动方面的作用进行了批判性评估。本研究不是进行线性概述，而是将以太阳能为中心的MECS的技术架构分解为三种复杂的范式：以光伏为主导的时间转移、以CSP为中心的热电协同，以及太阳能与氢能、地热能和生物质能的多向量混合。通过将这些技术映射到实际运行维度——从多吉瓦级的清洁能源基地和城市工业集群到极端环境中的“特殊场景”——本文量化了在经济可行性和环境可持续性方面的协同效益。该综述得出了一个高层次的路线图，指出了持续的瓶颈，并提出了颠覆性技术突破，采用“从技术解构到场景应用”的叙述逻辑，将基础创新与解决关键运营挑战紧密联系起来，为构建下一代安全、高效能源生态系统的架构提供了战略框架。

章节摘录

太阳能多能源耦合的技术路径

开发以太阳能为中心的MECS不仅增强了能源基础设施的韧性，还解决了整合高比例可再生能源的挑战[92]。本章根据其主要转换方式——光伏（PV）和太阳能热能——对以太阳能为中心的MECS进行了分类和研究，并评估了它们各自的协同架构。这些不同技术范式的结合和发展深刻影响了系统的能源

大规模集中式能源基地

以太阳能为中心的现代能源系统在沙漠和干旱地区展示了广泛的应用潜力，特别是通过部署多吉瓦级的可再生能源基地。这些大规模整合有助于将太阳能从间歇性补充能源转变为可靠的、可调度的基础负荷来源。当前的研究主要集中在通过大规模开发降低单位成本，同时整合多能源互补性

结论与展望

本文系统地回顾了以太阳能为中心的MECS，并确定了三种先进的范式：以光伏为主导的时间转移、以CSP为中心的热电协同，以及多向量混合。这些系统的核心价值在于经过验证的“1 + 1>2”协同效应。通过整合氢能、地热能和生物质能等互补资源，MECS有效地将间歇性的太阳能转化为稳定的基础负荷供应。这一能力已在多种场景中得到验证

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。