21世纪利用光伏满足全球制冷需求

桑迪亚光伏阵列性能模型明确说明了组件在较高温度下的性能损失。其他损耗机制，如模块退化49、模块50的电流失配、DC-AC转换51、脏污52、模块53的部分阴影和最大功率点跟踪53，都是通过每小时将每小时的能量产量减少10%54来解释的。为了模拟电池温度和空气质量，我们使用Sandia模块数据库版本中的默认值，日期为201231年9月29日。光伏系统尺寸算法在全球每个普查地点每小时估算交流用电量和标准化发电量后，我们对用于为交流供电的光伏系统进行尺寸标注。我们对每个普查地点的光伏容量进行缩放，以使每年的光伏产量与每年用于冷却的电力相匹配： 哪里  是光伏系统的每小时发电量，总和是全年的总和。随着越来越多的家庭获得冷却设备，光伏发电能力每年都在增加，而由于社会经济和气候变化，家庭平均冷却需求也在增长。光伏系统尺寸标注示例。图2显示了2010年美国亚利桑那州马里科帕县光伏系统缩放的示例。该县是州首府凤凰城的所在地。它包含71642个人口普查数据点，2010年共有3824191名居民。确定光伏容量的大小，使其每年产生的电量与用于冷却的电量相同，从而使光伏峰值容量约为5.9 GW。图2a显示了全年的模拟结果，并描述了冷却需求和光伏发电量的季节相似性和差异性。

两者在夏季（6月至8月）都高于冬季（12月至2月），但这两种情况并不完全一致。总体而言，冷却需求的季节性差异大于光伏生产的季节性差异。此外，在春天，太阳辐射开始以比无花果更快的速度增加。2亚利桑那州马里科帕县2010年（a）年（b）2010年5月第2周的交流需求和光伏发电量模型，该县是该州首府菲尼克斯的所在地。当时该县人口约为380万。图（a）中的黑框突出显示了为图（b）选择的一周。我们的模型为每个地理位置和每个建模年份执行类似的光伏系统尺寸标注。温度仲夏之后，温度持续升高，这增加了冷却需求，但阻碍了光伏组件的性能，同时每天的日照量开始减少。图2（b）突出显示了冷却需求和光伏生产日变化的异同，显示了5月初一周的两种情况。同样，从质量上来说，方差是相似的：两种剖面在白天都较高，而在夜间则较低。然而，由于地球的热惯性，温度（冷却需求）滞后于太阳辐射（光伏生产），导致中午光伏生产过剩，晚上光伏生产不足。尽管冷却需求和光伏生产的动态不同，光伏系统每小时可满足55.5%的冷却电力需求。参考图2，这意味着在整个一年中，绿色标记的“PV冷却”面积等于蓝色“冷却”曲线下面积的55.5%。

除了储能，还可以通过将光伏阵列朝向西部25、26、55-57或使用单轴或双轴跟踪54来改善交流需求和光伏生产的时间匹配。此外，建筑物可能在白天阳光最充足的时候进行预冷，以便在晚上保持凉爽58。蓄热模型为了证明蓄热对缓解每小时制冷需求与光伏发电量不匹配的潜力，我们研究了一个场景，即每个有制冷装置的家庭也都配备了小型蓄热装置。更具体地说，我们模拟了一个1.0 m3的水基潜热储存，或一个立方体的冰和水，在冷却时冻结，在冷却住宅建筑时融化。水的潜热密度为334千焦/千克。存储模拟为恒温. 存储操作是基于规则的：当PV生产过剩或完全冻结时，会将其冷却；当PV生产不足或完全液态时，会将其融化。这个 对于冷却，存储的计算方法与冷却建筑物本身的计算方法类似（见等式6）：    存储墙建模为具有隔热层 值为0.3 W/m2/K，对应于钢墙和10 cm聚氨酯绝缘30提供的绝缘。从存储中冷却建筑物预计将是无损的. 假设蓄热室的周围环境为. 结果预测住宅制冷部门维持的全球光伏发电能力图。

3（a）描述了在基线情景（红色实线）和探索情景范围（红色阴影区）中，冷却部门可维持的预计光伏发电能力。2018年，冷却行业可维持约540 GW的光伏发电量，超过2017年底的402 GW光伏装机产能。虽然准确的增长率取决于情景，但在每个探索情景中，光伏发电容量都会显著增加，在基线情景中达到8.3 TW，在情景范围内达到2.6 TW-10.9 TW，增加了5-20倍。为了阐明新增光伏容量的高速增长，图3（b）绘制了基线情景和情景范围内的预计年新增光伏容量。在本世纪的大部分时间里，计算的年新增光伏发电能力在20-200 GW之间，至少为20%，最多是当前光伏制造能力的两倍，约为100 GW/year60。这意味着整个世纪，仅住宅制冷行业就可能需要全球太阳能电池板供应的很大一部分。我们注意到，本研究中使用的空调可用性的经验数据42-47是在光伏与传统能源的成本竞争之前收集的。如果光伏继续保持其成本降低趋势，那么廉价的光伏将使冷却更便宜，从而被atFig采用。3基准情景（红色实线）中冷却部门维持的累计（a）和年安装（b）光伏容量，以及所探索情景（红色阴影区域）中的数值范围。（b）中还显示了当前光伏制造能力（黑色虚线）。较低的收入水平和公式（4）所预测的情况。

通过光伏为住宅制冷供电的另一个事实是，光伏家庭通常会鼓励光伏的自耗61，而光伏系统的单价往往会随着系统规模的变化而下降（较大的光伏系统比较小的系统每单位功率更便宜）62。这些事实可能会加速冷却需求和光伏发电能力的增长，其速度比这里估计的要快。按地区划分的预计光伏容量图4描述了在我们的基线方案中对预计光伏容量的区域评估。我们根据国际应用系统分析研究所开发的消息建模框架63中使用的区域，将世界划分为八个部门。表S1列出了按每个区域分组的国家和地区清单。如今，北美是住宅制冷和光伏的最大潜在市场，这主要是由于高收入水平( =  $2015年为45 330美元），气候相当温暖( 710），尤其是在美国南部。截至2015年底，北美住宅制冷所能维持的光伏发电总容量约为155GW。随着世界其他地区收入和人口的增长，其他地区成为主导。在基线情景中，第一个比北美更具持续冷却光伏的地区是中央计划的亚洲（中国、蒙古、老挝、柬埔寨、越南），该地区在2021超过北美，成为 在该地区超过10000美元。到2050年，该地区的潜在容量将增长并饱和至830 GW左右，之后人均需求的增加将被该地区人口的减少和冷却装置能效的提高所抵消。

在2020年至2040年间，所有其他地区都经历了温和的增长，其中大洋洲和亚太地区增长最快。在本世纪后半叶，有两个地区的增长明显大于其他地区，主要是由于其人口众多：第一南亚人口约为20亿，到2065年可维持1 TW的容量，到本世纪末最终将超过2 TW。最后，撒哈拉以南非洲地区是最后一个达到与空调大量采用相当的收入水平的地区，达到 2055年左右的10000美元。由于其人口众多（本世纪末为23.5亿）和炎热的气候( 2 670，到2100年），它是最大的潜在光伏发电容量增加区域，到本世纪末，潜在光伏发电容量将超过3 TW。规模稍小但仍很重要的行业包括中东和北非以及拉丁美洲。它们在整个世纪都表现出类似的潜力，到本世纪末，它们的潜在光伏容量达到约532 GW（中东和北非）和482 GW（拉丁美洲）。另一方面，与其他行业相比，欧洲和前苏联的潜在市场规模不大，这主要是由于其位于北方，因此冷却需求较低( 2100年为350）。到本世纪末，该地区达到约104 GW。图5全球（粗黑线）和地区每小时光伏用电量提供的冷却用电量的分数。图2 b）通过蓝色曲线下的面积和绿色面积的商描绘了该分数。该图假设存储时间不超过一小时，即描述了光伏生产与冷却功耗之间的直接关系。无花果

4住宅制冷行业预计光伏容量的区域评估。光伏每小时提供的冷却用电量的一部分虽然冷却用电量和光伏产量在一年内是匹配的，但由于冷却和光伏的季节和昼夜动态不同，并非所有冷却需求都能通过光伏每小时直接满足（见图2）。图5显示了光伏每小时提供的冷却电力的比例，全球平均值（粗黑线）以及区域平均值。如图2所示，冷却需求的季节性差异通常大于光伏发电量的季节性差异。由于靠近赤道的地区季节差异较小，通常靠近赤道的地区在制冷和光伏方面表现出更强的协同效应，因此，每小时可以满足更大比例的制冷电力需求。最靠近赤道的两个地区是拉丁美洲和撒哈拉以南非洲，人口加权地理中心分别约为2°S和1°N。在这些地区，光伏可以直接满足多达57-59%的冷却需求。中东、北非和南亚分别位于28°N和24°N的正北方，仍然具有很高的协同效应，每小时的制冷量为54-56%。其余地区中，中央规划的亚洲、北美和欧洲及前苏联分别位于北纬31°N、38°N和48°N，因此直接由光伏供电的冷却较少。总的来说，一个区域内的平均分数保持相对恒定，不同区域的相对顺序保持相似。唯一的例外是大洋洲和亚太地区，在本世纪，协同效应有所改善。

之所以出现这种改善，是因为在本世纪初，大部分冷却消耗发生在太平洋经合组织国家，如澳大利亚和日本，这些国家比印尼和菲律宾等国家距离赤道更远，而印尼和菲律宾在本世纪中后期的冷却消耗增长更大。光伏维持的全球平均冷却比例在整个世纪内显著增加，从约49%增加到56%。全球平均值的变化主要是由全球社会经济变化引起的：随着亚洲和非洲炎热国家使用更多的冷却，它们更适合结合冷却和光伏的气候开始主导全球平均值。重要的是，我们注意到，如果要用PV为恒定负载供电（而不是冷却），那么每小时只能为该负载供电约40%。这意味着当与PV结合时，冷负荷的可变性是一个优势，而不是劣势。存储分析提高光伏供电冷却比例的一种方法是通过储能。研究冷却需求和光伏发电量不匹配的不同时间尺度是有趣的。例如，日间失配比季节性失配更容易缓解，因为所有能量储存都会随着时间的推移而消散，并且随着季节性差异而储存的总能量往往大于日间差异（见图2）。为了在全球范围内调查不匹配的不同时间尺度，我们将年份划分为 小时，地点, 并允许光伏生产过剩，在每一增量内自由满足冷却需求。

虽然这种分析不能直接与任何物理储能进行比较，但它是阐明所需的不同时间尺度的储能的一种简单方法。图6显示了每年通过该练习与PV达成的每小时冷却更新分数。我们发现，所需的大部分灵活性要么是短期的（<1天），要么是长期的（>1个月），通过1-30天之间的潜在灵活性获得的额外好处最小。其次，我们看到，随着时间的推移，短期存储的好处会大大增加，因为在不匹配的地区，冷却需求会增加，而这些地区主要是白天而不是季节性的。2010年，短期灵活性可能会将光伏满足的每小时制冷比例从49%增加到61%，但到2100年，这一比例将从53%增加到81%。这表明，随着时间的推移，存储解决方案将越来越有利于配备冷却系统的住宅建筑。为了证明这一点，我们为每个地点和每年实施了第2.5节中描述的存储模型。结果如图7所示。随着时间的推移，储冰效益的增加可以从1 m3热冰储冰所能满足的冷却比例的增加中看出。2010年，这一比例为6%，但到2100年，这一比例为15%，或2.5倍以上。敏感性分析：社会经济和全球变暖情景的影响图8阐明了所选特定气候或社会经济情景的影响。具体而言，图8修改了基准情景（2.5°C，SSP2），即假设到本世纪末全球变暖程度低于（1.8°C）或高于（3.8°C），或假设社会经济情景发展速度较快（SSP5）或较慢（SSP3）。在不久的将来，社会经济情景将发挥更大的作用，2024年至2030年间，光伏发电容量将达到1太瓦。

到本世纪末，在快速发展的情况下，冷却需求开始饱和，与基线情况没有显著差异。缓慢的社会经济情景导致光伏发电能力显著降低，主要是因为南亚和撒哈拉以南非洲等发展中国家的收入水平仍然不高。图6:21世纪光伏全功率冷却所需的不同存储时间尺度。有趣的是，社会经济快速发展的情景在本世纪末的一个略低于基线的水平上饱和。这是因为社会经济发展与较低的生育率相结合，因此，在快速发展情景（74亿）下，本世纪末的人口与基线（90亿）下的人口相比要低得多。另一方面，全球变暖情景在2050年之后开始发挥作用，可能会使本世纪末的光伏发电容量减少1太瓦或增加2太瓦。无论选择何种方案，住宅制冷部门都可以维持大量的光伏容量，每年的新增容量至少相当于当前光伏制造能力的几十美分。就每小时冷却需求和光伏发电量的动态而言，情景选择的重要性不大，无论何种情景，光伏每小时都可以满足约50%的冷却需求。结论冷却需求是建筑物中增长最快的能源需求形式，太阳能光伏发电是增长最快的能源生产形式。虽然两者本质上都是可变的，因此要融入更广泛的能源系统是一个挑战，但幸运的是，它们的变化最终是由同一个来源驱动的：太阳。